Эрин Вудворд, Национальная ускорительная лаборатория SLAC. под редакцией Гэби Кларк , рецензент Эндрю Зинин
Исследователи, впервые проведшие прямое измерение температуры атомов в чрезвычайно горячих материалах, непреднамеренно опровергли давнюю теорию и перевернули наше понимание перегрева. Как известно, измерить температуру действительно горячих объектов крайне сложно. Будь то бурлящая плазма на нашем Солнце, экстремальные условия в ядре планет или сокрушительные силы внутри термоядерного реактора, то, что учёные называют «плотной тёплой материей», может достигать сотен тысяч градусов Кельвина. Точное знание того, насколько горячи эти материалы, имеет решающее значение для исследователей, чтобы полностью понять такие сложные системы, но до сих пор проведение таких измерений было практически невозможным.
«У нас есть хорошие методы измерения плотности и давления в этих системах, но не температуры», — сказал Боб Наглер, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. «В этих исследованиях температуры всегда оцениваются с огромными погрешностями, что серьёзно подрывает наши теоретические модели. Это проблема, которая решается десятилетиями».
И вот впервые группа исследователей сообщила в журнале Nature , что им удалось напрямую измерить температуру атомов в теплой плотной материи. В то время как другие методы основаны на сложных и труднопроверяемых моделях, этот новый метод напрямую измеряет скорость атомов, а следовательно, и температуру системы. Этот инновационный метод уже меняет наше понимание мира: в ходе дебютного эксперимента команда перегрела твёрдое золото далеко за пределы теоретического предела, неожиданно перевернув четыре десятилетия устоявшейся теории.
Наглер и исследователи, работающие с прибором «Материя в экстремальных условиях» (MEC) SLAC, совместно руководили этим исследованием с Томом Уайтом, доцентом физики Невадского университета в Рино. В группу входят исследователи из Королевского университета в Белфасте, Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL), Колумбийского университета, Принстонского университета, Оксфордского университета, Калифорнийского университета в Мерседе и Уорикского университета в Ковентри.
Измерение температуры
На протяжении почти десятилетия эта группа работала над созданием метода, который позволяет обойти обычные проблемы измерения экстремальных температур, в частности, кратковременность условий, создающих эти температуры в лабораторных условиях, и сложность калибровки того, как эти сложные системы влияют на другие материалы. «Наконец-то мы провели прямое и однозначное измерение, продемонстрировав метод, который можно применять в любой области», — сказал Уайт.
В экстремальных условиях, например, в недрах планет или во взрывающихся звёздах, материалы могут переходить в другие экзотические фазы с уникальными характеристиками. В SLAC исследователи изучают некоторые из самых экстремальных и экзотических форм материи, когда-либо созданных, с ранее недоступной детализацией. На установке MEC в SLAC группа использовала лазер для перегрева образца золота. При прохождении тепла через образец толщиной в нанометр его атомы начинали вибрировать со скоростью, напрямую зависящей от их температуры. Затем группа направила импульс сверхяркого рентгеновского излучения от источника когерентного света линейного ускорителя (LCLS) через перегретый образец. При рассеянии на колеблющихся атомах частота рентгеновских лучей слегка смещалась, что позволяло определить скорость атомов и, следовательно, их температуру.
«Новый метод измерения температуры, разработанный в данном исследовании, демонстрирует, что LCLS находится на переднем крае исследований лазерного нагрева вещества», — заявил Зигфрид Гленцер, директор отдела высоких плотностей энергии в SLAC и соавтор статьи. «LCLS в сочетании с этими инновационными методами играет важную роль в развитии науки о высоких плотностях энергии и революционных приложений, таких как инерциальный термоядерный синтез». Команда была в восторге от успешной демонстрации этой методики, но, изучив данные более подробно, они обнаружили нечто еще более интересное.
«Мы были удивлены, обнаружив в этих перегретых твёрдых телах гораздо более высокую температуру, чем изначально ожидали, что опровергает давнюю теорию 1980-х годов», — сказал Уайт. «Это не было нашей изначальной целью, но в этом и заключается суть науки — открывать новое, о существовании чего мы и не подозревали».
Пережить энтропийную катастрофу
У каждого материала есть определённые температуры плавления и кипения, которые обозначают переход из твёрдого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное соответственно. Однако есть исключения. Например, при быстром нагревании воды в очень гладкой ёмкости, например, в стакане воды в микроволновой печи, она может стать «перегретой», достигнув температуры выше 100 градусов Цельсия, не закипая. Это происходит из-за отсутствия шероховатых поверхностей или примесей, способных вызвать образование пузырьков. Но этот трюк природы сопряжен с повышенным риском: чем дальше система отклоняется от своих нормальных точек плавления и кипения, тем более она уязвима к тому, что учёные называют катастрофой — внезапному началу плавления или кипения, вызванному незначительным изменением окружающей среды. Например, вода, перегретая в микроволновке, при встряхивании может вскипеть со взрывом, что может привести к серьёзным ожогам.
«Хотя некоторые эксперименты показали, что эти промежуточные пределы можно обойти путем быстрого нагрева материалов, энтропийная катастрофа по-прежнему рассматривалась как конечная граница», — пояснил Уайт.
В своем недавнем исследовании группа обнаружила, что золото было перегрето до поразительной температуры в 19 000 кельвинов (33 740 градусов по Фаренгейту), что более чем в 14 раз превышает его температуру плавления и значительно превышает предполагаемый предел энтропийной катастрофы, — и при этом сохраняло свою твердую кристаллическую структуру.
«Важно прояснить, что мы не нарушили второй закон термодинамики», — сказал Уайт, усмехнувшись. «Мы продемонстрировали, что этих катастроф можно избежать, если нагревать материалы очень быстро — в нашем случае, за триллионные доли секунды».
Исследователи полагают, что быстрый нагрев предотвратил расширение золота, позволив ему сохранить твёрдое состояние. Результаты исследования предполагают, что при достаточно быстром нагреве верхний предел для перегретых материалов может отсутствовать.
Fusion и не только
SLAC позволяет проводить исследования материалов для термоядерных электростанций и мишеней для термоядерного топлива, а также наблюдения за реакциями термоядерного синтеза на атомном уровне. Наглер отметил, что исследователи, изучающие теплую плотную материю, вероятно, уже много лет превышают предел энтропийной катастрофы, не осознавая этого, из-за отсутствия надежного метода прямого измерения температуры. «Если наш первый эксперимент с использованием этой техники стал серьезным вызовом для устоявшейся науки, мне не терпится узнать, какие еще открытия нас ждут впереди», — сказал Наглер.
В качестве одного примера можно привести тот факт, что команды Уайта и Наглера этим летом снова использовали этот метод для изучения температуры материалов, которые были подвергнуты ударному сжатию для воссоздания условий глубоко внутри планет. Наглер также стремится применить новую технологию, которая позволяет определять температуру атомов в диапазоне от 1000 до 500 000 кельвинов, в текущих исследованиях в области инерциальной энергии термоядерного синтеза в SLAC.
«Когда мишень из термоядерного топлива взрывается в термоядерном реакторе , она находится в тёплом плотном состоянии», — пояснил Наглер. «Чтобы разрабатывать эффективные мишени, нам нужно знать, при каких температурах они претерпят важные изменения состояния. Теперь у нас наконец-то есть способ проводить такие измерения».
Дополнительная информация: Томас Г. Уайт и др., «Перегрев золота за пределами предсказанного порога энтропийной катастрофы», Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09253-y
Информация журнала: Nature
Предоставлено Национальной ускорительной лабораторией SLAC