Один лазерный луч — и 40-летняя теория о твёрдой материи оказалась неверной

Учёные впервые смогли напрямую измерить температуру атомов в так называемой «тёплой плотной материи» — состоянии вещества, которое встречается в недрах планет, в плазме Солнца и в реакторах термоядерного синтеза. До сих пор температура таких сред определялась лишь приблизительно и с огромной погрешностью, что сильно мешало развитию теорий.

Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США и их коллеги использовали уникальную установку Linac Coherent Light Source. Лазером они нагрели тончайшую плёнку золота, а затем пропустили через образец ультраяркие рентгеновские лучи. Атомы при нагреве начинали вибрировать быстрее, и рассеянное излучение смещалось по частоте. По этому смещению удалось напрямую определить скорость атомов, а значит — их температуру. Такой подход основан на методе высокоразрешающего неупругого рентгеновского рассеяния и позволяет отслеживать нагрев на сверхкоротких временных масштабах.

В ходе эксперимента золото удалось разогреть примерно до 19 тысяч кельвинов — более чем в 14 раз выше точки его плавления. При этом материал сохранял кристаллическую структуру, хотя по теории он должен был разрушиться гораздо раньше, достигнув так называемой «энтропийной катастрофы». Этот термин в физике описывает момент, когда кристалл становится настолько же неупорядоченным, как его жидкое состояние, и, казалось бы, не может больше существовать в твёрдой фазе.

Однако исследователи смогли обойти промежуточные процессы разрушения, такие как плавление поверхности или образование дефектов. Сверхбыстрый нагрев — в пределах триллионных долей секунды — не дал кристаллу расшириться и потерять устойчивость. Это означает, что предел энтропийной катастрофы может быть не столь жёстким, как считалось последние десятилетия, а твёрдые тела при определённых условиях способны выдерживать куда более высокие температуры.

Открытие бросает вызов сорокалетним теоретическим представлениям о процессах плавления и открывает путь к новым исследованиям. По словам участников проекта, та же методика уже применяется для изучения ударно-сжатых материалов, имитирующих внутренности планет, а также в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу, где точное знание температур играет ключевую роль. Новый инструмент позволит учёным надёжно измерять температуру атомов в диапазоне от тысячи до полумиллиона кельвинов и глубже понять поведение вещества в экстремальных условиях.