Přehřáté zlaté vzdorování limitu „entropie katastrofy“, převrácení 40leté fyziky
Fyzici přehřát zlato na 14krát vyšší bod tání a vyvrácení dlouhodobé předpovědi o teplotních limitch pevných látek
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Zlato se obvykle roztaví při 1300 Kelvins – teplota teplejší než čerstvá láva ze sopky. Vědci však nedávno zastřelili vzorek zlata silného nanometrů s laserem a zahřáli jej na úžasných 19 000 Kelvins (33 740 stupňů Fahrenheita)-bez tání materiálu. Výkon byl zcela neočekávaný a převrátil 40 let akceptované fyziky o teplotních limitch pevných materiálů, uvádějí vědci v článku zveřejněném v časopise Příroda. „Bylo to nesmírně překvapivé,“ říká člen studijního týmu Thomas White z University of Nevada, Reno. „Byli jsme naprosto šokováni, když jsme viděli, jak se to vlastně stalo.“
Naměřená teplota je daleko za hranicí limit „entropické katastrofy“ zlaté, bod, ve kterém entropie nebo porucha v materiálu měl by to nutit roztavit se. V minulosti tohoto limitu teoretici předpovídali, že pevné zlato bude mít vyšší entropii než kapalné zlato – jasné porušení zákonů termodynamiky. Měřením takové teploty puchýře v pevné látce v nové studii vědci vyvrátili predikci. Uvědomili si, že se jejich pevné zlato dokáže tak stát přehřáté Protože se neuvěřitelně rychle zahřál: jejich laser odstřelil zlato na pouhých 45 femtosekund, nebo 45 kvadrilioniontů sekundy – „bleskové vytápění“, které bylo příliš rychlé, aby umožnilo materiální čas rozšířit, a tak udržovat entropii v mezích známé fyziky.
„Chtěl bych poblahopřát autorům k tomuto zajímavému experimentu,“ říká Sheng-Nian Luo, fyzik na jihozápadní Jiaotong University v Číně, který studoval přehřátí v pevných látkách a nebyl zapojen do nového výzkumu. „Roztavení pod takovými ultrarychlými, ultramallskými ultrakomplexními podmínkami by však mohlo být příliš interpretováno.“ Zlato v experimentu bylo ionizované pevné zahřátí způsobem, který mohl způsobit vysoký vnitřní tlak, říká, takže výsledky se nemusí vztahovat na normální pevné látky při pravidelných tlacích. Vědci však pochybují o tom, že ionizace a tlak mohou odpovídat za jejich měření. Extrémní teplota zlata „nelze přiměřeně vysvětlit pouze těmito účinky,“ říká White. „Rozsah pozorovaného přehřátí naznačuje skutečně nový režim.“
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
Vědec projektu Chandra Curry pracuje v linac Coherent Light Source v laboratoři SLAC National Accelerator Laboratory.
Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory
K získání teploty zlata použil tým další laser-v tomto případě, nejsilnější rentgenový laser na světě, který je dlouhý tři kilometry (1,9 mil). Stroj, koherentní světelný zdroj Linac v laboratoři SLAC National Accelerator Laboratory v Kalifornii, zrychluje elektrony na více než 99 procent rychlosti světla a poté je střílí zvlněným magnetickým polím, aby vytvořil velmi jasný paprsek jednoho bilionu (1012) rentgenové fotony.
Když tento laser vystřelil na přehřátý vzorek, rentgenové fotony rozptýlily atomy uvnitř materiálu, což vědcům umožnilo měřit rychlosti atomů, aby účinně převzaly teplotu zlata.
„Největším trvalým příspěvkem bude to, že nyní máme metodu, jak opravdu přesně měřit tyto teploty,“ říká člen studijního týmu Bob Nagler, vědec zaměstnanců SLAC. Vědci doufají, že použijí techniku na jiných typech „teplé husté hmoty“, jako jsou materiály, které mají napodobit vnitřnosti hvězd a planet. Až dosud neměli dobrý způsob, jak vzít teplotu hmoty v takových toastových státech, které obvykle trvají jen zlomky sekundy. Po zkoušce zlata tým otočil svůj laserový teploměr na kus železné fólie, která byla zahřívána laserovou rázovou vlnou, aby simulovala podmínky ve středu naší planety. „Touto metodou můžeme určit, jaká je teplota tání,“ říká Nagler. „Tyto otázky jsou velmi důležité, pokud chcete modelovat Zemi.“
Teplota teploty by měla být také užitečná pro predikci, jak se budou chovat materiály používané při fúzních experimentech. The Národní zařízení zapalování V Lawrence Livermore National Laboratory například střílí lasery na malý cíl, aby se rychle zahříval a komprimoval jej, aby zapálil termonukleární fúzi. Fyzici nyní mohou určit bod tání pro různé cíle – to, že se v blízké budoucnosti může zahřívat celé pole.
