Aukštos temperatūros auksas: kaip SLAC lazeriai keičia medžiagų fiziką

Naujos taisyklės: superkaitinto aukso matavimai milžiniškais lazeriais

Reikšmingas eksperimentas SLAC Nacionalinėje greitintuvo laboratorijoje sukvietė tarptautinę fizikų komandą ir atvėrė naujus fizikos horizontus: pirmą kartą tiesiogiai išmatuota aukso temperatūra ekstremaliomis sąlygomis pasitelkiant pažangiausią rentgeno lazerį. Šis atradimas, publikuotas žurnale Nature, keičia mūsų supratimą apie aukso elgseną esant itin dideliam karščiui ir slėgiui. Be to, metodas žada proveržį tokiose srityse kaip branduolinės sintezės technologijos, kosminių laivų kūrimas ir astrofizika.

Mokslinis pagrindas: medžiagų ribų peržengimas

Jau dešimtmečius mokslininkai, naudodami teorinius modelius, stengėsi numatyti medžiagų elgesį ir ribas ekstremaliuose superkaitintuose bei aukšto slėgio režimuose. Aukso superkaitinimo slenkstis – apie tris kartus didesnė temperatūra nei jo virimo taškas – laikytas neatremiama fizikos dogma. Peržengus šią ribą, remiantis teorija, auksas turėjo akimirksniu suirti taip vadinamos „entropijos katastrofos“ metu.

Superkaitintos medžiagos, esančios pereinamoje būsenoje tarp kietos ir skystos, yra svarbios tiriant žvaigždžių gelmes, termobranduolinių reaktorių plazmos būklę ar kosminių laivų apsaugą nuo karščio. Tačiau iki šiol realios tokios materijos temperatūros išmatuoti buvo neįmanoma.

Eksperimentas SLAC: kaip valdomi ekstremalūs lazeriai

1 žingsnis: Ekstremalių sąlygų sukūrimas

SLAC mokslininkai nedidelius aukso pavyzdžius paveikė itin galingo lazerio impulsais, pakeldami jų temperatūrą net iki 14 kartų daugiau nei standartinis virimo taškas (per 18 700°C). Tokiu būdu buvo laikinai sustabdyta natūrali aukso tendencija išsiplėsti ar išgaruoti, todėl metalas kelias trilijonines sekundės dalis egzistavo unikalioje pereinamoje būsenoje.

2 žingsnis: Tiesioginis temperatūros matavimas

Tuo metu į superkaitintą auksą buvo nukreipti itin ryškūs rentgeno lazerio impulsai. Rentgeno spinduliai, sąveikaudami su aukso atomais, sklidosi būdingais modeliais. Atidžiai išanalizavę išsklaidytų rentgeno spindulių energiją ir dažnį, mokslininkai pirmą kartą galėjo tiksliai nustatyti aukso atomų judėjimo greitį ir temperatūrą šiose ekstremaliose sąlygose.

„Temperatūra – pagrindinė fizikos savybė, tačiau įprastai mes ją matuojame tik netiesiogiai, kaip su gyvsidabrio termometru“, – aiškino daktaras Bobas Nagleris, pagrindinis straipsnio autorius ir SLAC tyrėjas. „Naujasis metodas leidžia realiai stebėti temperatūrą net ir tokiose neįtikėtinose sąlygose.“

Teorijos iššūkis: ar nėra superkaitinimo limito?

Eksperimento rezultatai nustebino: priešingai nei beveik šimtmetį galvota, auksui nepavyko nustatyti jokio aiškaus superkaitinimo slenksčio tirtuose parametruose. Tikėtasi, kad esant maždaug trims virimo taškams (1064°C), auksas akimirksniu subyrės, bet jo struktūra atlaikė net iki 18 726°C temperatūrą – penkis kartus daugiau nei buvo manyta – kol galiausiai iširo.

Pagrindinis tyrėjas dr. Thomas White iš Nevados universiteto, Reno, prisiminė: „Pamatę rezultatus, kelis sykius tikrinome ašių žymėjimą. Tai buvo taip netikėta, kad atrodė lyg klaida. Tačiau duomenys buvo aiškūs – auksas gali išlikti esant net tokiai temperatūrai, bent jau akimirkai.“

Nors superkaitinta būsena truko vos trilijonines sekundės dalis, šio laiko pakako surinkti esminiams duomenims, iš esmės pakeitusiems senus medžiagų fizikos modelius.

Poveikis mokslui, kosmoso tyrimams ir branduolinei sintezei

Praktinis matavimas ekstremaliose sąlygose

Vienas reikšmingiausių šio atradimo aspektų – jo tiesioginis pritaikomumas realioje aplinkoje. Šiuolaikiniai sintezės reaktoriai, tokie kaip National Ignition Facility, naudoja auksinius cilindrus („hohlraums“), kad sukauptų rentgeno spindulius ir pasiektų būtinas branduolinei sintezei sąlygas. Iki šiol jų tikroji temperatūra liko mįslė.

„Dabar turime tikrą termometrą šiems ekstremaliems bandymams,“ – pabrėžė dr. White. „Tai suteiks galimybę geriau konstruoti sintezės reaktorius, tobulinti kosminių laivų šilumines apsaugas ir tiksliau tyrinėti žvaigždžių gelmes.“

Senų problemų sprendimas

Tikslus temperatūros matavimas sintezės kamerose ar atmosferinio sugrįžimo metu visada buvo didelis techninis iššūkis. Įprasti prietaisai čia neišgyvena arba neatspindi realios fizikos. SLAC sukurta rentgeno sklaidos technika gali tapti nauju standartu karščiausių aplinkų temperatūros matavime tiek Žemėje, tiek kosmose.

Ekspertų įžvalgos: atradimo džiaugsmas ir netikėtumai

Mokslininkų bendruomenėje tvyro entuziazmas. Kaip sako dr. White: „Džiaugiuosi galėdamas užsiimti darbu, kurio metu galima sproginti daiktus milžiniškais lazeriais mokslu vardan.“

Dr. Nagleris papildo: „Toks tikslus temperatūros supratimas leidžia iš naujo permąstyti materijos galimybes tokiomis sąlygomis, kokios būdingos žvaigždėms, sintezės reaktoriams ar net planetų branduoliams.“

Ateities kryptys: ekstremalios materijos ribų plėtimas

Tyrėjų komanda jau plečia taikomus metodus, tiria superkaitintą sidabrą, geležį ir kitus metalus, stebėdama perspektyvius rezultatus. Artimiausiais mėnesiais planuojama nagrinėti, kaip skirtingi metalai elgiasi peržengę teorines ribas, kas gali tapti nauja medžiagų inžinerijos pamoka ir paskatinti pažangą branduolinėje sintezėje.

Taip pat planuojama atlikti specialius bandymus, tiesiogiai taikomus sintezės tyrimuose. Kiekvienas eksperimentas priartina mus prie patikimesnių termobranduolinių reaktorių, saugesnių kosminių laivų ir gilesnio supratimo apie visatos ekstremalias aplinkas.

Išvada

SLAC Nacionalinėje greitintuvo laboratorijoje atliktas eksperimentas parodė, jog net ir seniai priimti fizikos principai gali būti iš esmės koreguojami naujomis technologijomis ir novatoriškais eksperimentais. Tiesioginis aukso temperatūros matavimas, jį superkaitinus kur kas daugiau nei leido teorija, paneigė seną fizikos modelį ir atvėrė kelią naujiems žingsniams kosmoso tyrimuose, branduolinėje sintezėje bei visatos pažinime. Aišku viena: pažinimo ribos dar toli gražu nėra pasiektos.