В своей исследовательской статье "Перегрев золота за пределами предсказанного порога энтропийной катастрофы" физики показали, что им удалось нагреть золото более чем до 19 000 Кельвинов (33 740 градусов по Фаренгейту), что более чем в 14 раз превышает температуру плавления, не теряя при этом своей твердой кристаллической структуры.

"Возможно, это самый горячий кристаллический материал, когда-либо зарегистрированный", - сказал Томас Уайт, ведущий автор и профессор физики Клемонс-Маги в Университете Невады в Рено.

Этот результат опрокидывает давний теоретический предел, известный как энтропийная катастрофа. Теория энтропийной катастрофы утверждает, что твердые тела не могут оставаться стабильными при температуре, примерно в три раза превышающей их температуру плавления, без самопроизвольного плавления. Температура плавления золота, составляющая 1337 Кельвинов (1947 градусов по Фаренгейту), была увеличена более чем втрое в ходе этого эксперимента с использованием чрезвычайно мощного лазера в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Стэнфордского университета.

"Я ожидал, что золото довольно значительно нагреется перед плавлением, но я не ожидал четырнадцатикратного повышения температуры", - сказал Уайт.

Чтобы нагреть золото, исследователи из Университета Невады в Рено, Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Оксфордского университета, Королевского университета в Белфасте, Европейского XFEL и Университета Уорика разработали эксперимент по нагреву тонкой золотой фольги с помощью лазера, работающего в течение 50 квадриллионных долей секунды (одна миллионная секунды миллиардная доля). Скорость, с которой нагревалось золото, по-видимому, была причиной того, что золото оставалось твердым. Полученные данные свидетельствуют о том, что предел перегрева твердых веществ может быть намного выше - или вообще отсутствовать - если нагрев происходит достаточно быстро. Новые методы, использованные в этом исследовании, открывают область физики высокой плотности энергии для дальнейшего изучения, в том числе в областях физики планет и исследований термоядерной энергии.

Уайт и его команда ожидали, что золото расплавится при своей температуре плавления, но для измерения температуры внутри золотой фольги им понадобится совершенно специальный термометр.

"Мы использовали источник когерентного света Linac, рентгеновский лазер длиной 3 километра в SLAC, по сути, как самый большой в мире термометр", - сказал Уайт. "Это позволило нам впервые измерить температуру внутри плотной плазмы, чего раньше не было возможно".

"Я невероятно благодарен за возможность внести свой вклад в такую передовую науку, используя экспериментальные платформы стоимостью в миллиарды долларов вместе с сотрудниками мирового класса". - Докторант Трэвис Гриффин

"Эта разработка прокладывает путь для диагностики температуры в широком диапазоне сред с высокой плотностью энергии", - сказал Боб Нэглер, штатный научный сотрудник SLAC и соавтор статьи. "В частности, он предлагает единственный доступный в настоящее время прямой метод для определения температуры теплых плотных состояний, возникающих во время фазы имплозии в экспериментах по инерционному термоядерному синтезу. Таким образом, он готов внести преобразующий вклад в наше понимание и контроль условий плазмы, связанных с термоядерным синтезом".

Наряду с разработчиками-экспериментаторами исследовательская статья является результатом десятилетней работы и сотрудничества между Колумбийским университетом, Принстонским университетом, Университетом Падуи и Калифорнийским университетом в Мерседе.

"Чрезвычайно интересно представить эти результаты миру, и я действительно с нетерпением жду возможности увидеть, каких успехов мы сможем добиться в этой области с помощью этих новых методов", - сказал Уайт.

Исследование, финансируемое Национальным управлением ядерной безопасности, откроет новые двери в изучении перегретых материалов.

"Академическая программа Национальных администраций по ядерной безопасности гордится тем, что поддерживает новаторские инновации и продолжает узнавать, что доктор Уайт и его команда являются лидерами в продвижении будущих важнейших областей исследований, полезных для предприятия по ядерной безопасности", - сказал Джалил Хадсон, директор отдела технологий и партнерств NNSA.

Уайт и его коллеги вернулись к источнику когерентного света Linac в июле, чтобы измерить температуру внутри горячего спрессованного железа, и используют эти результаты для получения информации о внутреннем устройстве планет.

Несколько аспирантов Уайта и один студент бакалавриата были соавторами исследования, в том числе докторант Трэвис Гриффин, студент бакалавриата Хантер Страмел, Дэниел Хейден, бывший постдокторант лаборатории Уайта, Джейкоб Молина, бывший студент бакалавриата, в настоящее время получающий докторскую степень в Принстонском университете, и Лэндон Моррисон, бывший сотрудник лаборатории Уайта. студент бакалавриата, получающий степень магистра в Оксфордском университете. Джереми Ираткабал, доцент-исследователь физического факультета, также был соавтором статьи.

"Я невероятно благодарен за возможность внести свой вклад в такую передовую науку, используя экспериментальные платформы стоимостью в миллиарды долларов вместе с сотрудниками мирового класса", - сказал Гриффин. "Это открытие подчеркивает мощь этого метода, и я взволнован возможностями, которые он открывает для будущего физики высоких плотностей энергии и исследований термоядерного синтеза. После окончания университета я продолжу эту работу в качестве штатного научного сотрудника в Европейском XFEL".