En un revolucionario avance científico que cambia fundamentalmente nuestra comprensión de la materia en condiciones extremas, un equipo internacional de investigadores ha logrado por primera vez medir directamente la temperatura de los átomos en sustancias calentadas a niveles inimaginables. Este logro no solo resuelve un problema de décadas en la física, sino que durante su primera prueba experimental derribó inesperadamente una teoría de cuarenta años, revelando que el oro sobrecalentado puede permanecer en estado sólido a temperaturas muy por encima de los límites que se consideraban posibles.

Medir la temperatura en entornos extremadamente calientes, como el plasma incandescente dentro del Sol, los núcleos de los planetas o dentro de los reactores de fusión, representa uno de los mayores desafíos de la ciencia moderna. Esta materia, conocida como 'materia densa y caliente' (warm dense matter), puede alcanzar cientos de miles, e incluso millones de grados, y su perfil de temperatura preciso es crucial para comprender los procesos fundamentales en el universo y desarrollar nuevas tecnologías energéticas. "Tenemos técnicas muy buenas para medir la densidad y la presión en estos sistemas, pero no la temperatura", explica Bob Nagler, científico del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía de EE. UU. "En estudios anteriores, las temperaturas siempre fueron estimaciones con enormes márgenes de error, lo que obstaculizó significativamente el desarrollo de nuestros modelos teóricos. Es un problema que nos ha atormentado durante décadas."

Ahora, según lo publicado en la prestigiosa revista Nature, un equipo de científicos ha demostrado un método que sortea todos los obstáculos anteriores. En lugar de depender de modelos complejos y difíciles de verificar, su técnica mide directamente la velocidad del movimiento de los átomos, que es la definición fundamental de la temperatura. Ya en su debut, este método innovador arrojó resultados asombrosos: el equipo logró sobrecalentar oro sólido mucho más allá de su límite teórico, demostrando que los materiales pueden sobrevivir a lo que se conoce como una "catástrofe entrópica".

Un método de medición revolucionario: ¿Cómo 'ver' el calor de los átomos?

El equipo, que Nagler codirigió con Tom White, profesor asociado de física en la Universidad de Nevada en Reno, y con la colaboración de investigadores de numerosas instituciones mundiales, trabajó durante casi una década para desarrollar esta técnica. La clave del éxito radica en la combinación de dos potentes herramientas disponibles en la instalación de Materia en Condiciones Extremas (Matter in Extreme Conditions - MEC) del SLAC.

El proceso comienza con el uso de un láser extremadamente potente que dispara un pulso ultracorto sobre una fina muestra de oro, de solo unos pocos nanómetros de espesor. En una fracción de segundo, la energía del láser impregna la muestra, haciendo que los átomos de oro comiencen a vibrar a una velocidad increíble. Esta velocidad de vibración está directamente relacionada con el aumento de la temperatura del material. Inmediatamente después del pulso del láser, se envía a través de la muestra sobrecalentada otro pulso, igualmente corto pero excepcionalmente brillante, de rayos X desde la Fuente de Luz Coherente Linac (Linac Coherent Light Source - LCLS), el láser de rayos X más potente del mundo.

Cuando los rayos X atraviesan la muestra, se dispersan en los átomos de oro que vibran. Al hacerlo, se produce un cambio sutil en su frecuencia, un fenómeno similar al efecto Doppler. Al analizar este cambio de frecuencia, los científicos pueden calcular de forma precisa y directa la velocidad a la que vibran los átomos y, por lo tanto, determinar la temperatura real del sistema sin ningún modelo intermedio ni calibración. "Finalmente realizamos una medición directa e inequívoca, demostrando un método que se puede aplicar en todo el campo de investigación", dijo White. Siegfried Glenzer, director de la División de Ciencia de Alta Densidad de Energía en SLAC, agregó: "Esta técnica confirma que el LCLS está en la frontera de la investigación de la materia calentada por láser y juega un papel clave en el avance de la ciencia de alta densidad de energía y aplicaciones transformadoras como la fusión por confinamiento inercial."

Un descubrimiento inesperado: Oro que desafía las leyes de la física

Mientras el equipo celebraba la exitosa demostración del nuevo método, un análisis más detallado de los datos reveló algo mucho más emocionante y completamente inesperado. Los resultados mostraron que el oro en estado sólido y cristalino había alcanzado una increíble temperatura de 19.000 Kelvin (alrededor de 18.725 grados Celsius). Para poner esto en perspectiva, es más de 14 veces la temperatura de fusión del oro (1337 K) y aproximadamente tres veces la temperatura de la superficie del Sol. Sin embargo, a pesar de este calor extremo, la muestra mantuvo su estructura cristalina sólida.

"Nos sorprendió encontrar una temperatura mucho más alta en estos sólidos sobrecalentados de lo que esperábamos inicialmente, lo que refuta una teoría de larga data de la década de 1980", dijo White. "Ese no era nuestro objetivo original, pero en eso reside la belleza de la ciencia: descubrir cosas nuevas que ni siquiera sabías que existían."

Cada material tiene un punto de fusión y un punto de ebullición definidos, los puntos en los que pasa de estado sólido a líquido y de líquido a gaseoso, respectivamente. Sin embargo, se conoce el fenómeno del "sobrecalentamiento", donde, por ejemplo, agua muy pura en un recipiente liso puede calentarse por encima de los 100 °C sin hervir. Esto sucede porque no hay impurezas ni superficies rugosas que inicien la formación de burbujas de vapor. Pero tal estado es extremadamente inestable. Cuanto más se aleja un sistema de su punto de transición de fase normal, más sensible se vuelve a lo que los científicos llaman una catástrofe: una ebullición o fusión repentina y explosiva provocada por la más mínima perturbación.

Derrumbando una teoría de 40 años: Sobreviviendo a la 'catástrofe entrópica'

Una teoría de la década de 1980, conocida como la "catástrofe entrópica", establecía un límite superior absoluto de sobrecalentamiento para los materiales sólidos. Según esta teoría, existía un límite fundamental en la cantidad de energía térmica que una red cristalina podía absorber antes de que, independientemente de la velocidad de calentamiento, colapsara espontánea e inevitablemente en un estado líquido desordenado. La entropía, como medida del desorden en un sistema, simplemente se volvería demasiado grande para mantener la estructura ordenada de un sólido. "La catástrofe entrópica se consideraba el límite final", explicó White.

Sin embargo, este experimento demostró que ese límite no solo se puede cruzar, sino superar drásticamente. El oro permaneció sólido a una temperatura muy por encima del punto de catástrofe previsto. La clave reside en la increíble velocidad del calentamiento. El pulso del láser entregó energía al sistema en billonésimas de segundo. En un intervalo de tiempo tan corto, los átomos ganaron una enorme energía cinética (calor), pero no tuvieron tiempo suficiente para iniciar los procesos colectivos necesarios para la fusión, como la expansión y la formación de defectos en la red cristalina. El material, en esencia, estaba "atrapado cinéticamente" en su estado sólido.

"Es importante aclarar que no violamos la Segunda Ley de la Termodinámica", agregó White con una sonrisa. "Lo que demostramos es que estas catástrofes se pueden evitar si los materiales se calientan extremadamente rápido." Estos hallazgos sugieren que quizás no exista un límite superior absoluto para el sobrecalentamiento de materiales, siempre que el calentamiento sea lo suficientemente rápido como para evitar que el material se expanda y la estructura colapse.

Implicaciones para el futuro: De los núcleos planetarios a la energía de fusión

Este descubrimiento tiene consecuencias profundas y de gran alcance. Nagler señala que los investigadores que estudian la materia densa y caliente probablemente han estado cruzando el límite de la catástrofe entrópica durante años sin siquiera ser conscientes de ello, precisamente por la falta de un método fiable para la medición directa de la temperatura. Ahora, con una nueva herramienta en sus manos, se abren las puertas a investigaciones completamente nuevas.

Una de las áreas clave de aplicación es la energía de fusión por confinamiento inercial, una tecnología que promete una fuente casi ilimitada de energía limpia. En los reactores de fusión, pequeñas cápsulas de combustible (generalmente isótopos de hidrógeno) se comprimen y calientan con láseres hasta un estado de materia densa y caliente para iniciar una reacción de fusión. "Cuando el combustible implosiona, se encuentra exactamente en ese estado", explicó Nagler. "Para diseñar blancos de combustible eficientes, necesitamos saber exactamente a qué temperaturas sufren transiciones de fase importantes. Ahora finalmente tenemos una forma de realizar esas mediciones."

Además, esta técnica, que puede medir con precisión las temperaturas de los átomos en un rango de 1.000 a 500.000 Kelvin, permitirá a los científicos replicar y estudiar con una precisión sin precedentes las condiciones que existen en las profundidades de planetas como Júpiter y Saturno, así como en exoplanetas lejanos. Comprender el comportamiento de la materia bajo tales presiones y temperaturas es clave para modelar los interiores de los planetas y comprender su evolución. "Si nuestro primer experimento con esta técnica condujo a un gran desafío para la ciencia establecida, no puedo esperar a ver qué otros descubrimientos nos aguardan", concluyó Nagler.