In einem revolutionären wissenschaftlichen Durchbruch, der unser Verständnis von Materie unter extremen Bedingungen grundlegend verändert, ist es einem internationalen Forscherteam erstmals gelungen, die Temperatur von Atomen in Substanzen, die auf unvorstellbare Niveaus erhitzt wurden, direkt zu messen. Diese Leistung löst nicht nur ein jahrzehntealtes Problem in der Physik, sondern hat bei ihrem ersten experimentellen Test unerwartet eine vierzig Jahre alte Theorie widerlegt und gezeigt, dass überhitztes Gold in einem festen Zustand bei Temperaturen weit über den bisher für möglich gehaltenen Grenzen verbleiben kann.

Die Messung der Temperatur in extrem heißen Umgebungen, wie dem glühenden Plasma im Inneren der Sonne, den Kernen von Planeten oder in Fusionsreaktoren, stellt eine der größten Herausforderungen der modernen Wissenschaft dar. Diese Materie, bekannt als 'warme dichte Materie' (warm dense matter), kann Hunderttausende, ja sogar Millionen von Grad erreichen, und ihre präzise Temperaturprofilierung ist entscheidend für das Verständnis fundamentaler Prozesse im Universum und die Entwicklung neuer Energietechnologien. "Wir haben sehr gute Techniken zur Messung von Dichte und Druck in diesen Systemen, aber nicht der Temperatur", erklärt Bob Nagler, ein Wissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums. "In früheren Studien waren die Temperaturen immer Schätzungen mit riesigen Fehlermargen, was die Entwicklung unserer theoretischen Modelle erheblich behinderte. Das ist ein Problem, das uns seit Jahrzehnten plagt."

Nun hat ein Team von Wissenschaftlern, wie in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht, eine Methode demonstriert, die alle bisherigen Hürden umgeht. Anstatt sich auf komplexe und schwer überprüfbare Modelle zu verlassen, misst ihre Technik direkt die Geschwindigkeit der Atombewegung, was die fundamentale Definition von Temperatur ist. Bereits bei ihrem Debüt lieferte diese innovative Methode erstaunliche Ergebnisse: Das Team schaffte es, festes Gold weit über seine theoretische Grenze zu überhitzen und zeigte, dass Materialien das überleben können, was als "Entropiekatastrophe" bezeichnet wird.

Eine revolutionäre Messmethode: Wie kann man die Wärme von Atomen 'sehen'?

Das Team, das Nagler gemeinsam mit Tom White, außerordentlicher Professor für Physik an der University of Nevada in Reno, und in Zusammenarbeit mit Forschern zahlreicher internationaler Institutionen leitete, arbeitete fast ein Jahrzehnt an der Entwicklung dieser Technik. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Kombination zweier leistungsstarker Werkzeuge, die an der SLAC-Einrichtung für Materie unter extremen Bedingungen (Matter in Extreme Conditions - MEC) zur Verfügung stehen.

Der Prozess beginnt mit der Verwendung eines extrem starken Lasers, der einen ultrakurzen Impuls auf eine dünne Goldprobe abfeuert, die nur wenige Nanometer dick ist. In einem Bruchteil einer Sekunde durchdringt die Energie des Lasers die Probe, was dazu führt, dass die Goldatome mit unglaublicher Geschwindigkeit zu vibrieren beginnen. Diese Vibrationsgeschwindigkeit steht in direktem Zusammenhang mit dem Temperaturanstieg des Materials. Unmittelbar nach dem Laserpuls wird ein weiterer, ebenso kurzer, aber extrem heller Röntgenpuls aus der Linac Coherent Light Source (LCLS), dem leistungsstärksten Röntgenlaser der Welt, durch die überhitzte Probe geschickt.

Wenn die Röntgenstrahlen die Probe durchdringen, werden sie an den vibrierenden Goldatomen gestreut. Dabei kommt es zu einer subtilen Änderung ihrer Frequenz, ein Phänomen, das dem Doppler-Effekt ähnelt. Durch die Analyse dieser Frequenzänderung können die Wissenschaftler präzise und direkt die Geschwindigkeit berechnen, mit der die Atome vibrieren, und damit die tatsächliche Temperatur des Systems ohne jegliche Zwischenmodelle oder Kalibrierungen bestimmen. "Wir haben endlich eine direkte und eindeutige Messung durchgeführt und eine Methode demonstriert, die im gesamten Forschungsfeld angewendet werden kann", sagte White. Siegfried Glenzer, Direktor der Abteilung für Hochenergiedichtewissenschaft am SLAC, fügte hinzu: "Diese Technik bestätigt, dass die LCLS an vorderster Front der Forschung an lasererhitzter Materie steht und eine Schlüsselrolle bei der Weiterentwicklung der Hochenergiedichtewissenschaft und transformativen Anwendungen wie der Trägheitsfusion spielt."

Eine unerwartete Entdeckung: Gold, das den Gesetzen der Physik trotzt

Während das Team die erfolgreiche Demonstration der neuen Methode feierte, enthüllte eine detailliertere Analyse der Daten etwas viel Aufregenderes und völlig Unerwartetes. Die Ergebnisse zeigten, dass das Gold in einem festen, kristallinen Zustand eine unglaubliche Temperatur von 19.000 Kelvin (etwa 18.725 Grad Celsius) erreicht hatte. Um dies in Perspektive zu setzen: Das ist mehr als das 14-fache der Schmelztemperatur von Gold (1337 K) und etwa das Dreifache der Oberflächentemperatur der Sonne. Dennoch behielt die Probe trotz dieser extremen Hitze ihre feste kristalline Struktur bei.

"Wir waren überrascht, in diesen überhitzten Festkörpern eine viel höhere Temperatur zu finden, als wir ursprünglich erwartet hatten, was eine langjährige Theorie aus den 1980er Jahren widerlegt", sagte White. "Das war nicht unser ursprüngliches Ziel, aber das ist das Schöne an der Wissenschaft – neue Dinge zu entdecken, von denen man nicht einmal wusste, dass sie existieren."

Jedes Material hat einen definierten Schmelz- und Siedepunkt, die Punkte, an denen es vom festen in den flüssigen bzw. vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Es ist jedoch das Phänomen des "Überhitzens" bekannt, bei dem beispielsweise sehr reines Wasser in einem glatten Behälter über 100 °C erhitzt werden kann, ohne zu sieden. Dies geschieht, weil keine Verunreinigungen oder rauen Oberflächen vorhanden sind, die die Bildung von Dampfblasen auslösen könnten. Ein solcher Zustand ist jedoch extrem instabil. Je weiter sich ein System von seinem normalen Phasenübergangspunkt entfernt, desto empfindlicher wird es für das, was Wissenschaftler eine Katastrophe nennen – ein plötzliches und explosives Sieden oder Schmelzen, das durch die kleinste Störung ausgelöst wird.

Widerlegung einer 40 Jahre alten Theorie: Das Überleben der 'Entropiekatastrophe'

Eine Theorie aus den 1980er Jahren, bekannt als "Entropiekatastrophe", postulierte eine absolute Obergrenze für das Überhitzen von festen Materialien. Nach dieser Theorie gab es eine fundamentale Grenze für die Menge an Wärmeenergie, die ein Kristallgitter aufnehmen kann, bevor es, unabhängig von der Heizgeschwindigkeit, spontan und unvermeidlich in einen ungeordneten flüssigen Zustand zusammenbricht. Die Entropie, als Maß für die Unordnung in einem System, würde einfach zu groß werden, um die geordnete Struktur eines Festkörpers aufrechtzuerhalten. "Die Entropiekatastrophe galt als die endgültige Grenze", erklärte White.

Dieses Experiment hat jedoch gezeigt, dass diese Grenze nicht nur überschritten, sondern drastisch übertroffen werden kann. Das Gold blieb bei einer Temperatur weit über dem vorhergesagten Katastrophenpunkt fest. Der Schlüssel liegt in der unglaublichen Geschwindigkeit des Erhitzens. Der Laserpuls lieferte die Energie innerhalb von Billionstelsekunden in das System. In einem so kurzen Zeitintervall erhielten die Atome eine enorme kinetische Energie (Wärme), hatten aber nicht genug Zeit, die für das Schmelzen erforderlichen kollektiven Prozesse wie Ausdehnung und die Bildung von Defekten im Kristallgitter einzuleiten. Das Material war im Wesentlichen in seinem festen Zustand "kinetisch gefangen".

"Es ist wichtig zu betonen, dass wir den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nicht verletzt haben", fügte White mit einem Lächeln hinzu. "Was wir gezeigt haben, ist, dass diese Katastrophen vermieden werden können, wenn Materialien extrem schnell erhitzt werden." Diese Ergebnisse legen nahe, dass es möglicherweise keine absolute Obergrenze für das Überhitzen von Materialien gibt, vorausgesetzt, die Erhitzung ist schnell genug, um die Ausdehnung des Materials und den Zusammenbruch der Struktur zu verhindern.

Implikationen für die Zukunft: Von Planetenkernen zur Fusionsenergie

Diese Entdeckung hat tiefgreifende und weitreichende Konsequenzen. Nagler merkt an, dass Forscher, die warme dichte Materie untersuchen, wahrscheinlich seit Jahren die Grenze der Entropiekatastrophe überschritten haben, ohne es überhaupt zu wissen, eben weil eine zuverlässige Methode zur direkten Temperaturmessung fehlte. Jetzt, mit einem neuen Werkzeug in der Hand, öffnen sich Türen für völlig neue Forschungen.

Eines der Schlüsselanwendungsgebiete ist die Trägheitsfusionsenergie, eine Technologie, die eine nahezu unbegrenzte Quelle sauberer Energie verspricht. In Fusionsreaktoren werden winzige Brennstoffkapseln (üblicherweise Wasserstoffisotope) durch Laser komprimiert und in den Zustand warmer dichter Materie erhitzt, um eine Fusionsreaktion auszulösen. "Wenn der Brennstoff implodiert, befindet er sich genau in diesem Zustand", erklärte Nagler. "Um effiziente Brennstofftargets zu entwerfen, müssen wir genau wissen, bei welchen Temperaturen sie wichtige Phasenübergänge durchlaufen. Jetzt haben wir endlich eine Möglichkeit, diese Messungen durchzuführen."

Darüber hinaus wird diese Technik, die die Temperaturen von Atomen im Bereich von 1.000 bis 500.000 Kelvin präzise messen kann, es Wissenschaftlern ermöglichen, die Bedingungen tief im Inneren von Planeten wie Jupiter und Saturn sowie in fernen Exoplaneten mit beispielloser Genauigkeit zu replizieren und zu untersuchen. Das Verständnis des Verhaltens von Materie unter solchen Drücken und Temperaturen ist entscheidend für die Modellierung des Inneren von Planeten und das Verständnis ihrer Entwicklung. "Wenn unser erstes Experiment mit dieser Technik zu einer großen Herausforderung für die etablierte Wissenschaft geführt hat, kann ich es kaum erwarten zu sehen, welche weiteren Entdeckungen auf uns warten", schloss Nagler.