Złoto nie topnieje choćby w temperaturach wyższych niż na powierzchni Słońca – przełomowe odkrycie naukowców

Międzynarodowy zespół badaczy, pracujący m.in. w amerykańskim laboratorium SLAC National Accelerator Laboratory, dokonał przełomowego odkrycia w dziedzinie fizyki materii ekstremalnej. Po raz pierwszy udało się bezpośrednio zmierzyć temperaturę atomów w tzw. warm dense matter – materii o bardzo wysokiej gęstości i temperaturze, spotykanej m.in. we wnętrzach planet czy reaktorach fuzyjnych.

Bezprecedensowy pomiar temperatury atomów

Dotychczas naukowcy potrafili stosunkowo precyzyjnie mierzyć ciśnienie i gęstość takich systemów, ale temperatura pozostawała zagadką. Jak podkreślił Bob Nagler, badacz z amerykańskiego SLAC, dotychczasowe szacunki temperatury obarczone były ogromnym błędem, co utrudniało rozwój teoretycznych modeli.

W tych badaniach temperatury zawsze były jedynie szacowane z dużym marginesem błędu, co naprawdę hamowało rozwój naszych modeli teoretycznych. To był problem trwający dekady.

Zespół opracował innowacyjną metodę, która pozwala na bezpośredni pomiar prędkości atomów, a tym samym temperatury. W eksperymencie laser superpodgrzał cienką próbkę złota, a następnie przez próbkę przepuszczono impuls ultrajasnego promieniowania rentgenowskiego z akceleratora LCLS. Analizując przesunięcie częstotliwości promieniowania rozproszonego na atomach, naukowcy wyznaczyli ich prędkość, a więc i temperaturę.

Złoto wytrzymuje 19 000 K – teoria z lat 80. obalona

Największym zaskoczeniem okazał się wynik eksperymentu – złoto pozostało w stanie stałym przy temperaturze aż 19 000 kelwinów, czyli ponad 14-krotnie wyższej niż jego punkt topnienia. To o wiele więcej niż przewidywała tzw. granica katastrofy entropijnej, uznawana od lat 80. za nieprzekraczalną barierę dla ciał stałych poddanych ekstremalnemu podgrzewaniu.

Nie było to naszym pierwotnym celem, ale na tym polega nauka – na odkrywaniu rzeczy, o których nie mieliśmy pojęcia, iż istnieją.

Wyjaśnienie tego fenomenu polega na bardzo szybkim nagrzewaniu – w czasie rzędu bilionowych części sekundy. Tak szybkie podniesienie temperatury uniemożliwia materiałowi ekspansję i przejście w stan ciekły, co pozwala mu zachować strukturę krystaliczną choćby przy ekstremalnych temperaturach.

Znaczenie dla badań nad fuzją i materią ekstremalną

Nowa technika otwiera drogę do dokładniejszych badań materii w warunkach zbliżonych do tych panujących we wnętrzach planet czy w reaktorach termojądrowych. Precyzyjne pomiary temperatury mogą pomóc w projektowaniu efektywnych paliw do fuzji oraz lepszym zrozumieniu przemian fazowych w ekstremalnych warunkach.

Jeśli już pierwsze zastosowanie tej techniki doprowadziło do zakwestionowania ustalonej nauki, nie mogę się doczekać, co jeszcze odkryjemy.

Badania były finansowane m.in. przez amerykańską DOE National Nuclear Security Administration oraz Office of Science Fusion Energy Sciences. Opracowana metoda może mieć najważniejsze znaczenie dla rozwoju energetyki termojądrowej i badań nad materią w ekstremalnych warunkach.

Źródło: ScienceDaily