В новом эксперименте, результаты которого опубликованы в журнале Nature, команда физиков из университета Невады в Рино и Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США смогла разогреть золото до температуры 18,7 тыс.°С. Это в 14 раз превышает его обычную температуру плавления (около 1,1 тыс.°С). Но вопреки всем ожиданиям, вещество не перешло в жидкое состояние.
Это не было нашей изначальной целью, но именно в этом и заключается суть науки — открытие новых вещей, о существовании которых вы даже не подозревали.
Это стало возможным благодаря сверхкороткому лазерному импульсу длительностью 45 фемтосекунд (10−15 с). За это время атомы не успевают перестроиться и расплавиться. Такая «вспышка» нагревает материал быстрее, чем он успевает расшириться, сохраняя его в твердом состоянии даже при экстремально высоких температурах.
До сих пор считалось, что у каждого твердого тела есть абсолютный предел температуры — выше него энтропия (мера беспорядка) твердой фазы превышает энтропию жидкости. Это противоречит законам термодинамики и получило название энтропийная катастрофа. Для золота этот предел оценивался как 3 температуры плавления — около 3,2 тыс.°С.
Однако в новом исследовании золото не только не расплавилось при 10 тыс.°С, но и оставалось твердым при 18,7 тыс.°С. Это показывает: катастрофа может не наступить вовсе, если нагрев идет достаточно быстро. Ученые объясняют это тем, что за время эксперимента кристаллическая решетка просто не успевает расшириться, а значит, не нарушается равновесие энтропии.
Открытие не просто ставит под сомнение теоретические пределы — оно дает инструмент для изучения сверхплотных и сверхгорячих состояний вещества. Чтобы точно измерить температуру золота, физики использовали мощнейший рентгеновский лазер LCLS длиной в 3 км. Он позволил отслеживать тепловое движение атомов через разброс рентгеновских фотонов.
Этот метод уже применили к железу, имитирующему условия в ядре Земли. Теперь его можно использовать для анализа материалов в экспериментах по термоядерному синтезу, где нужно знать температуру вещества в доли пикосекунды. Это открывает путь к более точному моделированию звездных и планетных недр, а также материалов для энергетики будущего.
Ранее Наука Mail рассказывала, как квантовый свет усилил нелинейную оптику, и как это улучшит медтехнику.
