Перегретое золото остается твердым после предполагаемой точки плавления

Исследование предполагает, что нагрев, который длился всего триллионных долей секунды, поднял температуру золотого образца до 19 000 К, не плавя его.

Ученые говорят, что они нагрели твердое золото на мимолетное мгновение до температуры, умноженной в 14 раз на его температуру плавления, прежде чем оно расплавится — узко обходя законы термодинамики.

Физики десятилетиями думали, что невозможно нагреть золото и другие твердые материалы более чем в три раза до их температуры плавления, не плавя их. Если бы материалы превысили этот порог, оставаясь твердым, результатом была бы «энтропийная катастрофа», теоретическая ситуация, в которой твердая фаза материала будет иметь большую энтропию или беспорядок, чем жидкая фаза. Это было бы нарушением второго закона термодинамики.

Но в статье, опубликованной сегодня в Nature, ученые описывают использование лазера для быстрого нагрева золота до 14-кратной температуры плавления — значительно выше теоретического предела — в течение нескольких триллионов долей секунды, прежде чем оно расплавится и взорвется. Атомы золота достигают этой температуры, прежде чем они успеют расшириться и стать неупорядоченными, поэтому результат не нарушает никаких законов термодинамики, говорит Том Уайт, физик из Университета Невады в Рино и соавтор исследования.

Измеряю температуру

Если они нагреваются очень тщательно, чрезвычайно чистые образцы некоторых твердых материалов могут быть «перегреты», достигая температуры, превышающие их температуры плавления, без плавления. Серебро, например, обычно плавится при 961,8 ºC, но при правильных условиях его можно нагреть до 986 ºC и оставаться твердым. Понимание перегрева актуально для таких предметов, как изучение расплавленных планетарных интерьеров.

В 1988 году физики рассчитали теоретический предел перегрева, который заключается в том, что ни один материал не может быть нагреть более чем в три раза по его точке плавления и оставаться твердым. Помимо этого Предел, твердое вещество будет иметь более высокий беспорядок, чем жидкость. (Чтобы понять, почему это будет проблемой, представьте себе гладкий, твердый лед катка, тающий в луже жидкой воды, которая каким-то образом еще более спокойная.) Попыткам наблюдения за перегретыми твердыми веществами мешала сложность измерения температуры в промежутках времени, короче наносекунды.

Команда управляла этим, нагрев образец золота размером 50 нанометров с помощью лазера до тех пор, пока ионы золота не начнут трястись от кинетической энергии. Затем исследователи снимали рентгеновские фотоны на образце золота и измеряли сдвиг их энергии, когда они отскакивали от материала, чтобы сделать вывод о температуре золота в пределах нескольких тысяч градусов Цельсия.

Используя этот метод измерения, команда заметила, что лазер может перегреть золото, которое имеет температуру плавления 1337 кельвинов (1064 ºC), примерно до 19 000 кельвинов в течение нескольких триллионов долей секунды.

Ненадежные рассказчики

В рецензируемых отчетах, которыми авторы поделились с командой новостей Nature, рецензенты признали важность техники, но широко спрашивали авторов о достоверности измерения температуры. Одна трудность: измерение статистически ограничено. Лишь немногие рентгеновские фотоны — десять из каждых десяти миллиардов — отскакивают от обнаруженного золота.

Артур Тамм, вычислительный физик из Тартуского университета в Эстонии, который просмотрел статью, указывает на другую проблему: восстанавливающие фотоны могут не нести точную информацию о температуре образца, если атомы в золотом образце не находятся в стабильном тепловом равновесии, состоянии, в котором температура сбалансирована. Тамм говорит, что эксперимент предоставляет ценные данные, но он сомневается в том, как выводится температура. «Превышаем ли мы температуру плавления в 10-14 раз перед плавлением? Я так не думаю", - говорит он.

Команда признала ограничения метода, но утверждала, что результат статистически надежный, и что золото относительно быстро достигает равновесия. Уайт говорит, что его команда нашла Предварительные признаки того, что серебро также превышает прогнозируемый порог энтропии-коллапса.

Для авторов, которые интересовались тем, как быстро нагреется золото, и не хотели побить какие-либо рекорды, события стали неожиданностью. Глядя на данные, они были в замешательстве, Уайт говорит: разве золото не должно было расплавиться? «Я только что погуглил: «Насколько горячим может быть что-то, прежде чем расплавится?»»

Если находка может быть дополнительно подтверждена, результат поиска потребует обновления.