Az arany túléli a Napnál melegebb hőmérsékletet?

A kísérlet az első alkalom, hogy a tudósok közvetlenül megmérték az atomok hőmérsékletét az úgynevezett meleg, sűrű anyagban – olyan anyagokban, amelyek hatalmas nyomás és hő alatt vannak, mint amilyeneket a bolygómagokban vagy a fúziós reaktorokban találnak.

Évekig korlátozta az anyagok ilyen szélsőséges szinteken történő reakcióinak megértésére irányuló erőfeszítéseket, hogy nem lehetett pontosan mérni a hőmérsékletet. Bár a kutatók régóta megbízhatóan mérik a nyomást és a sűrűséget, a hőmérsékletbecslések továbbra is durvák és bizonytalanok, ami megnehezíti a pontos modellek kidolgozását.

Új röntgentechnika rögzíti az atommozgást

Ebben az új tanulmányban a kutatók megfigyelték, hogyan éli túl az arany az ismert olvadáspontjánál jóval magasabb hőmérsékleteket, ezt az eredményt a kaliforniai SLAC National Accelerator Laboratory által kifejlesztett innovatív módszer tette lehetővé.

A csapat egy nagy teljesítményű lézert használt egy nanométer vastag aranyréteg rendkívül rövid ideig történő melegítésére. Ez a gyors energiakitörés az atomok gyorsabb rezgését okozta, ami a hőmérséklet közvetlen mutatója.

Ezen változások rögzítéséhez a Linac koherens fényforrás (LCLS) ultrafényes röntgensugarait használták, amelyek a rezgő atomokról szóródtak, és finom frekvenciaeltolódásokon keresztül feltárták mozgásukat.

Tom White, a Reno-i Nevadai Egyetem fizikusa elmagyarázta, hogy az ilyen környezetekben korábban mért hőmérsékleti értékek nagymértékben támaszkodtak olyan modellekre, amelyeket gyakran nem ellenőriztek.

Ez az új megközelítés azonban közvetlenül méri az atomok mozgását, példátlan pontosságot kínálva. White megjegyezte, hogy csapatuk soha nem állt szándékában átírni az elméleti határokat, de az adatok arra kényszerítették őket, hogy újragondolják a régóta fennálló feltételezéseiket.

Az arany meglepő ellenálló képessége ebben a kísérletben megcáfolt az „entrópia katasztrófa” néven ismert koncepcióval, amely feltételezi, hogy az anyagok hirtelen fázisváltozásokon mennek keresztül, például olvadáson vagy párolgáson, miután átlépték a meghatározott küszöbértékeket.

White hangsúlyozta, hogy nem sértettek fizikai törvényeket; inkább az anyag gyors felmelegedése, amely a másodperc billiódomod része alatt történt, nem hagyott időt az atomszerkezet összeomlására.

Bob Nagler, az SLAC munkatársa hozzátette, hogy az anyagok ilyen gyors felmelegítésének és pontos megfigyelésének képessége azt jelenti, hogy a korábbi kísérletek tudtukon kívül is átléphették az elméleti határokat, egyszerűen a pontos mérőeszközök hiánya miatt.

Jövőbeli alkalmazások a fúzióban és a bolygókutatásban

A Nature folyóiratban publikált kutatás az SLAC, a Nevadai Egyetem, valamint számos amerikai és európai intézmény együttműködésében született. A kutatást az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Nemzeti Nukleáris Biztonsági Hivatala és a Tudományos Hivatal fúziós energiatudományi programja finanszírozta.

A jövőre nézve a csapat már alkalmazza ezt a módszert lökésszerű nyomás alatt álló anyagok tanulmányozására, egy bolygómag körülményeit szimulálva. Nagler megjegyezte a módszer relevanciáját a fúziós energia szempontjából, ahol a meleg, sűrű anyag megértése elengedhetetlen.

Az 1000 és 500 000 kelvin (1340 °F és 899 540 °F) közötti atomhőmérsékletek mérésével a tudósok most már rendelkeznek az eszközökkel ahhoz, hogy mélyebbre hatoljanak a nagy energiasűrűségű fizikában.