U revolucionarnom znanstvenom prodoru koji iz temelja mijenja naše razumijevanje materije pod ekstremnim uvjetima, međunarodni tim istraživača uspio je po prvi put izravno izmjeriti temperaturu atoma u supstancama zagrijanima do nezamislivih razina. Ovo postignuće ne samo da rješava desetljećima star problem u fizici, već je tijekom svog prvog eksperimentalnog testa neočekivano srušilo teoriju staru četrdeset godina, otkrivajući da pregrijano zlato može ostati u čvrstom stanju na temperaturama daleko iznad granica koje su se smatrale mogućima.

Mjerenje temperature u ekstremno vrućim okruženjima, poput užarene plazme unutar Sunca, jezgri planeta ili unutar fuzijskih reaktora, predstavlja jedan od najvećih izazova moderne znanosti. Ta materija, poznata kao 'topla gusta tvar' (warm dense matter), može doseći stotine tisuća, pa i milijune stupnjeva, a njezino precizno temperaturno profiliranje ključno je za razumijevanje fundamentalnih procesa u svemiru i razvoj novih energetskih tehnologija. "Imamo vrlo dobre tehnike za mjerenje gustoće i tlaka u ovim sustavima, ali ne i temperature", pojašnjava Bob Nagler, znanstvenik iz Nacionalnog akceleratorskog laboratorija SLAC američkog Ministarstva energetike. "U dosadašnjim studijama, temperature su uvijek bile procjene s golemim marginama pogreške, što je značajno kočilo razvoj naših teorijskih modela. To je problem koji nas muči desetljećima."

Sada je, kako je objavljeno u prestižnom časopisu Nature, tim znanstvenika demonstrirao metodu koja zaobilazi sve dosadašnje prepreke. Umjesto oslanjanja na složene i teško provjerljive modele, njihova tehnika izravno mjeri brzinu gibanja atoma, što je fundamentalna definicija temperature. Već u svom debiju, ova inovativna metoda donijela je zapanjujuće rezultate: tim je uspio pregrijati čvrsto zlato daleko iznad teorijske granice, pokazujući da materijali mogu preživjeti ono što se naziva "entropijskom katastrofom".

Revolucionarna metoda mjerenja: Kako 'vidjeti' toplinu atoma?

Tim, koji je Nagler vodio zajedno s Tomom Whiteom, izvanrednim profesorom fizike na Sveučilištu Nevada u Renu, te uz suradnju istraživača s brojnih svjetskih institucija, gotovo je desetljeće radio na razvoju ove tehnike. Ključ uspjeha leži u kombinaciji dvaju moćnih alata dostupnih u SLAC-ovom postrojenju za istraživanje materije u ekstremnim uvjetima (Matter in Extreme Conditions - MEC).

Proces započinje korištenjem izuzetno snažnog lasera koji ispaljuje ultrakratki impuls na tanak uzorak zlata, debljine svega nekoliko nanometara. U djeliću sekunde, energija lasera prožima uzorak, uzrokujući da atomi zlata počnu vibrirati nevjerojatnom brzinom. Ta brzina vibracije izravno je povezana s porastom temperature materijala. Odmah nakon laserskog pulsa, kroz pregrijani uzorak šalje se još jedan, jednako kratak, ali iznimno sjajan puls rendgenskih zraka iz Linac Coherent Light Source (LCLS), najsnažnijeg rendgenskog lasera na svijetu.

Kada rendgenske zrake prođu kroz uzorak, one se raspršuju na vibrirajućim atomima zlata. Pritom dolazi do suptilne promjene u njihovoj frekvenciji, fenomena sličnog Dopplerovom efektu. Analizom te promjene frekvencije, znanstvenici mogu precizno i izravno izračunati brzinu kojom atomi vibriraju, a time i odrediti stvarnu temperaturu sustava bez ikakvih posrednih modela ili kalibracija. "Napokon smo proveli izravno i nedvosmisleno mjerenje, demonstrirajući metodu koja se može primijeniti u cijelom polju istraživanja", izjavio je White. Siegfried Glenzer, direktor Odjela za znanost o visokoj gustoći energije u SLAC-u, dodao je: "Ova tehnika potvrđuje da je LCLS na samoj granici istraživanja laserski zagrijane materije i igra ključnu ulogu u napretku znanosti o visokoj gustoći energije i transformativnim primjenama poput inercijske fuzije."

Neočekivano otkriće: Zlato koje prkosi zakonima fizike

Dok je tim slavio uspješnu demonstraciju nove metode, detaljnija analiza podataka otkrila je nešto mnogo uzbudljivije i potpuno neočekivano. Rezultati su pokazali da je zlato u čvrstom, kristalnom stanju doseglo nevjerojatnu temperaturu od 19.000 Kelvina (oko 18.725 stupnjeva Celzijusa). Da bismo to stavili u perspektivu, to je više od 14 puta viša temperatura od tališta zlata (1337 K) i otprilike tri puta viša temperatura od površine Sunca. Ipak, unatoč toj ekstremnoj vrućini, uzorak je zadržao svoju čvrstu kristalnu strukturu.

"Bili smo iznenađeni kad smo pronašli znatno višu temperaturu u ovim pregrijanim čvrstim tijelima nego što smo prvotno očekivali, što opovrgava dugogodišnju teoriju iz 1980-ih", rekao je White. "To nije bio naš izvorni cilj, ali u tome i jest ljepota znanosti – otkrivanje novih stvari za koje niste ni znali da postoje."

Svaki materijal ima definirano talište i vrelište, točke pri kojima prelazi iz čvrstog u tekuće, odnosno iz tekućeg u plinovito stanje. Međutim, poznat je fenomen "pregrijavanja", gdje se, primjerice, vrlo čista voda u glatkoj posudi može zagrijati iznad 100 °C, a da ne proključa. To se događa jer nema nečistoća ili grubih površina koje bi potaknule stvaranje mjehurića pare. No, takvo je stanje iznimno nestabilno. Što se sustav više udaljava od svoje normalne točke faznog prijelaza, to je osjetljiviji na ono što znanstvenici nazivaju katastrofom – iznenadno i eksplozivno vrenje ili taljenje potaknuto i najmanjim poremećajem.

Rušenje teorije stare 40 godina: Preživljavanje 'entropijske katastrofe'

Teorija iz 1980-ih, poznata kao "entropijska katastrofa", postavljala je apsolutnu gornju granicu pregrijavanja za čvrste materijale. Prema toj teoriji, postojala je temeljna granica količine toplinske energije koju kristalna rešetka može apsorbirati prije nego što se, bez obzira na brzinu zagrijavanja, spontano i neizbježno uruši u neuređeno tekuće stanje. Entropija, kao mjera nereda u sustavu, jednostavno bi postala prevelika da bi se održala uređena struktura čvrstog tijela. "Entropijska katastrofa smatrala se konačnom granicom", pojasnio je White.

Međutim, ovaj eksperiment je pokazao da ta granica ne samo da se može prijeći, već i drastično nadmašiti. Zlato je ostalo čvrsto na temperaturi daleko iznad predviđene točke katastrofe. Ključ leži u nevjerojatnoj brzini zagrijavanja. Laserski puls je isporučio energiju u sustav unutar bilijuntinki sekunde. U tako kratkom vremenskom intervalu, atomi su dobili ogromnu kinetičku energiju (toplinu), ali nisu imali dovoljno vremena da pokrenu kolektivne procese potrebne za taljenje, poput širenja i formiranja defekata u kristalnoj rešetki. Materijal je, u suštini, bio "kinetički zarobljen" u svom čvrstom stanju.

"Važno je pojasniti da nismo prekršili Drugi zakon termodinamike", uz smiješak je dodao White. "Ono što smo pokazali jest da se te katastrofe mogu izbjeći ako se materijali zagrijavaju ekstremno brzo." Ovi nalazi sugeriraju da možda i ne postoji apsolutna gornja granica za pregrijavanje materijala, pod uvjetom da je zagrijavanje dovoljno brzo da spriječi širenje materijala i kolaps strukture.

Implikacije za budućnost: Od jezgri planeta do fuzijske energije

Ovo otkriće ima duboke i dalekosežne posljedice. Nagler napominje kako su istraživači koji proučavaju toplu gustu tvar vjerojatno godinama prelazili granicu entropijske katastrofe, a da toga nisu bili ni svjesni, upravo zbog nedostatka pouzdane metode za izravno mjerenje temperature. Sada, s novim alatom u rukama, otvaraju se vrata za potpuno nova istraživanja.

Jedno od ključnih područja primjene je inercijska fuzijska energija, tehnologija koja obećava gotovo neograničen izvor čiste energije. U fuzijskim reaktorima, sićušne kapsule goriva (obično izotopi vodika) komprimiraju se i zagrijavaju laserima do stanja tople guste tvari kako bi se pokrenula fuzijska reakcija. "Kada gorivo implodira, ono se nalazi upravo u tom stanju", objasnio je Nagler. "Da bismo dizajnirali učinkovite mete za gorivo, moramo točno znati na kojim temperaturama one prolaze kroz važne fazne prijelaze. Sada konačno imamo način za provođenje tih mjerenja."

Nadalje, ova tehnika, koja može precizno mjeriti temperature atoma u rasponu od 1.000 do 500.000 Kelvina, omogućit će znanstvenicima da s neviđenom preciznošću repliciraju i proučavaju uvjete koji vladaju duboko unutar planeta poput Jupitera i Saturna, kao i u dalekim egzoplanetima. Razumijevanje ponašanja materije pod takvim tlakovima i temperaturama ključno je za modeliranje unutrašnjosti planeta i razumijevanje njihove evolucije. "Ako je naš prvi eksperiment korištenjem ove tehnike doveo do velikog izazova za uspostavljenu znanost, jedva čekam vidjeti kakva nas još otkrića čekaju", zaključio je Nagler.