Американские физики из Университета Невады в Рино провели необычный эксперимент, нагрев золото лазерами до 18 тыс. 726°C. На какие-то триллионные доли секунды металл оставался твердым и не хотел плавиться.
«Мы были удивлены, обнаружив в этих перегретых твердых телах гораздо более высокую температуру, чем первоначально ожидали. Это не было нашей первоначальной целью, но в этом и заключается суть науки — открывать новые явления, о существовании которых вы и не подозревали», — отмечает руководитель эксперимента Том Уайт.
Законы термодинамики устанавливают четкий верхний предел количества тепла, которое может поглотить твердое тело без фазового перехода в жидкое состояние. Превышение этого предела ведет к так называемой «энтропийной катастрофе» — критической точке, в которой неупорядоченное состояние атомов твердого тела превышает аналогичное состояние жидкости, что нарушает второй закон термодинамики.
Этот порог был установлен примерно на уровне трех температур плавления материала. Все, что выше, считалось невозможным. В новом исследовании Том Уайт и его коллеги использовали точно настроенный лазер для нагревания золотой пленки толщиной 50 нанометров. Уже через 45 фемтосекунд, что меньше, чем необходимо свету, чтобы преодолеть толщину человеческого волоса, атомы золота начали безумно вибрировать.
Используя линейный ускоритель когерентного света в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии, ученые облучали перегретое золото импульсами сверхяркого рентгеновского излучения. Рассеянные рентгеновские фотоны демонстрировали скорость колебания атомов. Это позволяло исследователям непосредственно измерять температуру ионов.
В 1988 году физики Ганс Фехт и Уильям Джонсон представили концепцию «энтропийной катастрофы», утверждая, что ни одно твердое тело не может иметь большую энтропию, чем его жидкостный аналог. Однако эти ограничения справедливы только при определенных условиях, когда материалы нагреваются достаточно медленно для поддержания теплового равновесия.
Новый эксперимент Тома Уайта и его команды позволил обойти эти ограничения. Исследователи нагревали золото быстрее, чем его атомы успевали перестраиваться.
«Важно прояснить, что мы не нарушили второй закон термодинамики. Мы продемонстрировали, что этих катастроф можно избежать, если нагревать материалы очень быстро — в нашем случае за триллионные доли секунды», — объясняет Том Уайт.
Успешность эксперимента удалось обеспечить благодаря использованию неупругого рассеивания рентгеновских лучей — способа, схожего с измерением скорости атомного радара. При столкновении рентгеновских лучей с вибрирующими атомами, их частота немного смещается вследствие эффекта Доплера. Чем шире разброс частот рассеянных фотонов, тем горячее атомы.
«У нас есть хорошие методы измерения плотности и давления этих систем, но не температуры. В этих исследованиях температуры всегда оцениваются с огромными погрешностями, что действительно подкрепляет наши теоретические модели», — подчеркнул научный сотрудник SLAC и один из руководителей исследования Боб Наглер.
Используя несколько сотен рассеянных рентгеновских фотонов, исследователи получили достоверные показания температуры непосредственно, без применения моделирования. Понимание того, как ведут себя материалы в условиях экстремальных температур и давления, является ключом для проектирования термоядерных реакторов, моделирования недр других планет и других насущных вопросов науки.
Исследователи, изучающие «плотную теплую материю» — экзотическое состояние, наблюдаемое в недрах планет-гигантов и в первые мгновения термоядерных реакций, долгое время работали с неопределенностью, связанной с измерением тепловых характеристик. Это исследование предлагает новый прямой метод калибровки таких моделей.
Для исследований в области инерционного термоядерного синтеза необходимо знать, насколько горячими становятся мишени из термоядерного топлива во время схлопывания. Новый метод позволяет проводить подобные измерения. Исследователи считают, основываясь на предварительных данных, что серебро также может превзойти свой предел энтропии.
Обычно, в условиях традиционного нагрева и плавления, тепло выводит атомы из состояния равновесия и нарушает упорядоченную кристаллическую решетку. Однако в этом эксперименте на это просто не было времени. Кристаллическая решетка золота не имела возможности расшириться. Исследователи утверждают, что отсутствие расширения предотвратило наступление энтропийной катастрофы. Без расширения энтропия твердого тела никогда не приведет к фазовому переходу.
«Пересечение двух кривых энтропии эффективно устраняется сверхбыстрым интенсивным нагревом. Перегрев может не иметь верхнего предела», — убеждают исследователи.
Теперь задача состоит в том, чтобы понять, насколько распространено это явление. Могут ли другие металлы вести себя так же? Можно ли это использовать для создания материалов с новыми свойствами?
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature
Источник: ZME Science
Сообщить об опечатке
Текст, который будет отправлен нашим редакторам: