W rewolucyjnym przełomie naukowym, który fundamentalnie zmienia nasze rozumienie materii w ekstremalnych warunkach, międzynarodowy zespół badaczy po raz pierwszy zdołał bezpośrednio zmierzyć temperaturę atomów w substancjach podgrzanych do niewyobrażalnych poziomów. Osiągnięcie to nie tylko rozwiązuje dziesiątki lat trwający problem w fizyce, ale podczas swojego pierwszego testu eksperymentalnego nieoczekiwanie obaliło czterdziestoletnią teorię, odkrywając, że przegrzane złoto może pozostać w stanie stałym w temperaturach znacznie przekraczających granice uważane dotąd za możliwe.

Pomiar temperatury w ekstremalnie gorących środowiskach, takich jak rozżarzona plazma wewnątrz Słońca, jądra planet czy wewnątrz reaktorów termojądrowych, stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej nauki. Ta materia, znana jako 'ciepła gęsta materia' (warm dense matter), może osiągać setki tysięcy, a nawet miliony stopni, a jej precyzyjne profilowanie temperatury jest kluczowe dla zrozumienia fundamentalnych procesów we wszechświecie i rozwoju nowych technologii energetycznych. "Mamy bardzo dobre techniki do pomiaru gęstości i ciśnienia w tych systemach, ale nie temperatury", wyjaśnia Bob Nagler, naukowiec z Narodowego Laboratorium Akceleratorowego SLAC Departamentu Energii USA. "W dotychczasowych badaniach temperatury zawsze były szacunkami z ogromnymi marginesami błędu, co znacząco hamowało rozwój naszych modeli teoretycznych. To problem, który dręczy nas od dziesięcioleci."

Teraz, jak opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Nature, zespół naukowców zademonstrował metodę, która omija wszystkie dotychczasowe przeszkody. Zamiast polegać na skomplikowanych i trudnych do zweryfikowania modelach, ich technika bezpośrednio mierzy prędkość ruchu atomów, co jest fundamentalną definicją temperatury. Już w swoim debiucie ta innowacyjna metoda przyniosła zdumiewające rezultaty: zespołowi udało się przegrzać stałe złoto daleko poza teoretyczną granicę, pokazując, że materiały mogą przetrwać to, co nazywa się "katastrofą entropową".

Rewolucyjna metoda pomiaru: Jak 'zobaczyć' ciepło atomów?

Zespół, którym Nagler kierował wspólnie z Tomem White'em, profesorem nadzwyczajnym fizyki na Uniwersytecie Nevady w Reno, oraz we współpracy z badaczami z licznych światowych instytucji, pracował nad rozwojem tej techniki przez prawie dekadę. Klucz do sukcesu leży w połączeniu dwóch potężnych narzędzi dostępnych w ośrodku badawczym SLAC ds. Materii w Ekstremalnych Warunkach (Matter in Extreme Conditions - MEC).

Proces rozpoczyna się od użycia niezwykle potężnego lasera, który wystrzeliwuje ultrakrótki impuls w cienką próbkę złota o grubości zaledwie kilku nanometrów. W ułamku sekundy energia lasera przenika próbkę, powodując, że atomy złota zaczynają wibrować z niewiarygodną prędkością. Ta prędkość wibracji jest bezpośrednio związana ze wzrostem temperatury materiału. Natychmiast po impulsie laserowym przez przegrzaną próbkę przesyłany jest kolejny, równie krótki, ale wyjątkowo jasny impuls promieni rentgenowskich z Linac Coherent Light Source (LCLS), najpotężniejszego lasera rentgenowskiego na świecie.

Gdy promienie rentgenowskie przechodzą przez próbkę, rozpraszają się na wibrujących atomach złota. Dochodzi przy tym do subtelnej zmiany ich częstotliwości, zjawiska podobnego do efektu Dopplera. Analizując tę zmianę częstotliwości, naukowcy mogą precyzyjnie i bezpośrednio obliczyć prędkość, z jaką wibrują atomy, a tym samym określić rzeczywistą temperaturę systemu bez żadnych pośrednich modeli czy kalibracji. "W końcu przeprowadziliśmy bezpośredni i jednoznaczny pomiar, demonstrując metodę, która może być stosowana w całej dziedzinie badań", powiedział White. Siegfried Glenzer, dyrektor Działu Nauki o Wysokiej Gęstości Energii w SLAC, dodał: "Ta technika potwierdza, że LCLS znajduje się na samym czele badań nad materią podgrzewaną laserowo i odgrywa kluczową rolę w postępie nauki o wysokiej gęstości energii i transformacyjnych zastosowaniach, takich jak inercyjna fuzja jądrowa."

Nieoczekiwane odkrycie: Złoto, które przeciwstawia się prawom fizyki

Podczas gdy zespół świętował udaną demonstrację nowej metody, szczegółowa analiza danych ujawniła coś znacznie bardziej ekscytującego i całkowicie nieoczekiwanego. Wyniki pokazały, że złoto w stanie stałym, krystalicznym, osiągnęło niewiarygodną temperaturę 19 000 kelwinów (około 18 725 stopni Celsjusza). Aby to umieścić w perspektywie, jest to ponad 14 razy wyższa temperatura niż temperatura topnienia złota (1337 K) i około trzy razy wyższa temperatura niż na powierzchni Słońca. Mimo tego ekstremalnego gorąca próbka zachowała swoją stałą strukturę krystaliczną.

"Byliśmy zaskoczeni, znajdując znacznie wyższą temperaturę w tych przegrzanych ciałach stałych, niż pierwotnie oczekiwaliśmy, co obala długoletnią teorię z lat 80.", powiedział White. "To nie był nasz pierwotny cel, ale na tym polega piękno nauki – odkrywanie nowych rzeczy, o których istnieniu nawet nie wiedziałeś."

Każdy materiał ma zdefiniowaną temperaturę topnienia i wrzenia, punkty, w których przechodzi ze stanu stałego w ciekły, a z ciekłego w gazowy. Znane jest jednak zjawisko "przegrzewania", gdzie na przykład bardzo czysta woda w gładkim naczyniu może być podgrzana powyżej 100 °C, nie wrząc. Dzieje się tak, ponieważ nie ma zanieczyszczeń ani szorstkich powierzchni, które mogłyby zainicjować tworzenie się pęcherzyków pary. Taki stan jest jednak niezwykle niestabilny. Im bardziej system oddala się od swojego normalnego punktu przejścia fazowego, tym bardziej jest wrażliwy na to, co naukowcy nazywają katastrofą – nagłe i gwałtowne wrzenie lub topnienie wywołane najmniejszym zaburzeniem.

Obalenie teorii sprzed 40 lat: Przetrwanie 'katastrofy entropowej'

Teoria z lat 80. XX wieku, znana jako "katastrofa entropowa", ustanawiała absolutną górną granicę przegrzania dla materiałów stałych. Zgodnie z tą teorią istniała fundamentalna granica ilości energii cieplnej, jaką sieć krystaliczna może wchłonąć, zanim, niezależnie od szybkości ogrzewania, spontanicznie i nieuchronnie zapadnie się w nieuporządkowany stan ciekły. Entropia, jako miara nieporządku w systemie, po prostu stałaby się zbyt duża, aby utrzymać uporządkowaną strukturę ciała stałego. "Katastrofa entropowa była uważana za ostateczną granicę", wyjaśnił White.

Jednak ten eksperyment pokazał, że granicę tę można nie tylko przekroczyć, ale i drastycznie przewyższyć. Złoto pozostało w stanie stałym w temperaturze znacznie powyżej przewidywanego punktu katastrofy. Klucz leży w niewiarygodnej szybkości ogrzewania. Impuls laserowy dostarczył energię do systemu w ciągu bilionowych części sekundy. W tak krótkim przedziale czasowym atomy uzyskały ogromną energię kinetyczną (ciepło), ale nie miały wystarczająco dużo czasu, aby zainicjować zbiorowe procesy niezbędne do topnienia, takie jak rozszerzanie się i tworzenie defektów w sieci krystalicznej. Materiał był w istocie "kinetycznie uwięziony" w swoim stanie stałym.

"Ważne jest, aby wyjaśnić, że nie złamaliśmy drugiej zasady termodynamiki", dodał z uśmiechem White. "Pokazaliśmy, że tych katastrof można uniknąć, jeśli materiały są ogrzewane ekstremalnie szybko." Odkrycia te sugerują, że być może nie ma absolutnej górnej granicy przegrzewania materiałów, pod warunkiem, że ogrzewanie jest wystarczająco szybkie, aby zapobiec rozszerzaniu się materiału i załamaniu struktury.

Implikacje na przyszłość: Od jąder planet do energii termojądrowej

To odkrycie ma głębokie i dalekosiężne konsekwencje. Nagler zauważa, że badacze zajmujący się ciepłą gęstą materią prawdopodobnie od lat przekraczali granicę katastrofy entropowej, nawet o tym nie wiedząc, właśnie z powodu braku niezawodnej metody bezpośredniego pomiaru temperatury. Teraz, z nowym narzędziem w ręku, otwierają się drzwi do zupełnie nowych badań.

Jednym z kluczowych obszarów zastosowań jest energia syntezy inercyjnej, technologia obiecująca niemal nieograniczone źródło czystej energii. W reaktorach termojądrowych maleńkie kapsułki paliwa (zwykle izotopy wodoru) są ściskane i podgrzewane laserami do stanu ciepłej gęstej materii w celu wywołania reakcji termojądrowej. "Kiedy paliwo imploduje, znajduje się dokładnie w tym stanie", wyjaśnił Nagler. "Aby zaprojektować wydajne tarcze paliwowe, musimy dokładnie wiedzieć, w jakich temperaturach przechodzą one przez ważne przejścia fazowe. Teraz w końcu mamy sposób na przeprowadzenie tych pomiarów."

Co więcej, ta technika, która może precyzyjnie mierzyć temperatury atomów w zakresie od 1 000 do 500 000 kelwinów, pozwoli naukowcom na replikację i badanie z niespotykaną dotąd precyzją warunków panujących głęboko wewnątrz planet takich jak Jowisz i Saturn, a także na odległych egzoplanetach. Zrozumienie zachowania materii pod takim ciśnieniem i w takich temperaturach jest kluczowe dla modelowania wnętrz planet i zrozumienia ich ewolucji. "Jeśli nasz pierwszy eksperyment z użyciem tej techniki doprowadził do wielkiego wyzwania dla ustalonej nauki, nie mogę się doczekać, jakie jeszcze odkrycia na nas czekają", podsumował Nagler.