Золото выдерживает температуру 33 740 °F, опровергая 40-летнюю теорию физики
Ученые впервые провели прямое измерение атомных температур в экстремальных материалах, опровергнув существовавшую четыре десятилетия теорию о том, насколько сильно можно нагревать твердые тела.
Используя мощный лазер и сверхяркие рентгеновские лучи, исследователи из SLAC и сотрудничающих с ним институтов нагрели золото до поразительной температуры 19 000 К, что более чем в 14 раз превышает его температуру плавления, при этом оно оставалось твердым. Этот прорыв не только переопределяет пределы материи в экстремальных условиях, но и открывает дверь к новым знаниям о внутреннем строении планет, исследованиям в области термоядерной энергии и физике высоких энергетических плотностей.
Измерение неизмеримого: разгадка секрета тепла
Измерение температуры чрезвычайно горячей материи — одна из самых сложных задач в науке. От турбулентной плазмы Солнца до огромного давления в недрах планет и интенсивных условий внутри термоядерных реакторов — некоторые материалы достигают состояния, известного как «теплая плотная материя», с температурой, поднимающейся до сотен тысяч градусов по Кельвину.
Для ученых точное знание температуры этих материалов имеет решающее значение для понимания их поведения. Однако до недавнего времени получить точные показания было практически невозможно.
«У нас есть хорошие методы измерения плотности и давления этих систем, но не температуры», — сказал Боб Наглер, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. «В этих исследованиях температуры всегда являются приблизительными оценками с огромными погрешностями, что действительно сдерживает развитие наших теоретических моделей. Эта проблема существует уже несколько десятилетий».
Преодолевая границы теории
Теперь, согласно прорывному открытию, о котором сообщается в журнале Nature, исследователи впервые осуществили прямое измерение атомной температуры в теплой плотной материи. В отличие от предыдущих подходов, основанных на сложных моделях, этот метод позволяет рассчитать температуру путем отслеживания фактической скорости атомов. В своем первом эксперименте команда нагрела твердое золото значительно выше его прогнозируемого теплового предела, опровергнув физическую теорию, которая существовала в течение сорока лет.
Наглер и исследователи из SLAC Matter in Extreme Conditions (MEC) провели это исследование совместно с Томом Уайтом, доцентом физики Университета Невады в Рино. В группу входят исследователи из Королевского университета Белфаста, European XFEL (рентгеновский лазер на свободных электронах), Колумбийского университета, Принстонского университета, Оксфордского университета, Калифорнийского университета в Мерсед и Уорикского университета в Ковентри.
Измерение температуры – лазер, золото и рентгеновские лучи
На протяжении почти десяти лет эта команда работала над разработкой метода, позволяющего обойти обычные проблемы измерения экстремальных температур, а именно: кратковременность условий, при которых создаются такие температуры в лаборатории, и сложность калибровки влияния этих сложных систем на другие материалы.
«Наконец, мы провели прямое и однозначное измерение, продемонстрировав метод, который можно применять во всей области», — сказал Уайт.
На приборе MEC SLAC команда использовала лазер для перегрева образца золота. Когда тепло пронзило нанометровый образец, его атомы начали вибрировать со скоростью, прямо пропорциональной повышению температуры. Затем команда направила импульс сверхярких рентгеновских лучей из когерентного источника света Linac (LCLS) через перегретый образец. При рассеивании на вибрирующих атомах частота рентгеновских лучей слегка изменилась, что позволило определить скорость атомов и, следовательно, их температуру.
«Новая техника измерения температуры, разработанная в ходе этого исследования, демонстрирует, что LCLS находится на переднем крае исследований в области лазерного нагрева вещества», — сказал Зигфрид Гленцер, директор отдела науки о высокой плотности энергии в SLAC и соавтор статьи. «LCLS в сочетании с этими инновационными техниками играет важную роль в продвижении науки о высокой плотности энергии и трансформационных приложений, таких как инерционный термоядерный синтез».
Неожиданное открытие перегрева
Команда была в восторге от успешной демонстрации этой техники, и, более тщательно изучив данные, они обнаружили нечто еще более интересное.
«Мы были удивлены, обнаружив, что температура этих перегретых твердых тел намного выше, чем мы изначально ожидали, что опровергает давнюю теорию 1980-х годов», — сказал Уайт. «Это не было нашей первоначальной целью, но в этом и заключается суть науки — открывать новые вещи, о существовании которых вы не знали».
