Überhitztes Gold widersteht der 'Entropiekatastrophe': Neue Methode fordert etablierte Physik heraus

23. Juli 2025

von Erin Woodward, SLAC National Accelerator Laboratory

überarbeitet von Gaby Clark, überprüft von Andrew Zinin

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Forscher, die erstmals eine direkte Messung der Atomtemperatur in extrem heißen Materialien durchführten, widerlegten versehentlich eine jahrzehntealte Theorie und stellten unser Verständnis von Überhitzung auf den Kopf.

Es ist berüchtigt schwierig, die Temperatur wirklich heißer Dinge zu messen. Ob es sich um das wirbelnde Plasma in unserer Sonne, die extremen Bedingungen im Inneren von Planeten oder die zerquetschenden Kräfte in einem Fusionsreaktor handelt, was Wissenschaftler als 'warmdichte Materie' bezeichnen, kann Hunderttausende von Grad Kelvin erreichen.

Zu wissen, wie heiß diese Materialien genau sind, ist entscheidend, damit Forscher solche komplexen Systeme vollständig verstehen können, aber diese Messungen durchzuführen war bis jetzt praktisch unmöglich.

'Wir haben gute Techniken, um die Dichte und den Druck dieser Systeme zu messen, aber nicht die Temperatur,' sagte Bob Nagler, Wissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums. 'In diesen Studien sind die Temperaturen immer Schätzungen mit großen Fehlerbalken, was unsere theoretischen Modelle wirklich beeinträchtigt. Das ist ein Problem, das seit Jahrzehnten besteht.'

Jetzt haben ein Team von Forschern erstmals in der Zeitschrift Nature berichtet, dass sie die Temperatur der Atome in warmdichter Materie direkt gemessen haben.

Während andere Methoden auf komplexen und schwer zu validierenden Modellen beruhen, misst diese neue Methode direkt die Geschwindigkeit der Atome und somit die Temperatur des Systems. Ihre innovative Methode verändert bereits unser Verständnis der Welt: In einem experimentellen Debüt supererhitzte das Team festes Gold weit über das theoretische Limit hinaus und stürzte überraschend vier Jahrzehnte etablierte Theorie um.

Nagler und Forscher am MEC-Instrument (Matter in Extreme Conditions) des SLAC leiteten diese Studie gemeinsam mit Tom White, außerordentlicher Professor für Physik an der Universität von Nevada, Reno. Die Gruppe umfasst Forscher von der Queen's University Belfast, dem European XFEL (Freie-Elektronen-Laser), der Columbia University, der Princeton University, der Universität Oxford, der Universität von Kalifornien, Merced, und der Universität Warwick, Coventry.

Seit fast einem Jahrzehnt hat dieses Team daran gearbeitet, eine Methode zu entwickeln, die die üblichen Herausforderungen bei der Messung extremer Temperaturen umgeht - insbesondere die kurze Dauer der Bedingungen, die diese Temperaturen im Labor erzeugen, und die Schwierigkeit, zu kalibrieren, wie sich diese komplexen Systeme auf andere Materialien auswirken.

'Endlich haben wir eine direkte und eindeutige Messung durchgeführt und eine Methode demonstriert, die auf dem gesamten Gebiet angewendet werden kann,' sagte White.

Unter extremen Bedingungen - wie in den Herzen von Planeten oder in explodierenden Sternen - können Materialien andere exotische Phasen mit einzigartigen Eigenschaften erreichen. Am SLAC untersuchen Forscher einige der extremsten und exotischsten Formen von Materie, die jemals in einer zuvor nicht möglichen Detailtiefe geschaffen wurden.

Am MEC-Instrument des SLAC-Teams wurde ein Laser verwendet, um eine Probe aus Gold zu supererhitzen. Als die Hitze durch die nanometerdünne Probe blitzte, begannen ihre Atome mit einer Geschwindigkeit zu vibrieren, die direkt mit ihrer steigenden Temperatur zusammenhing. Das Team schickte dann einen Impuls von ultrahellen Röntgenstrahlen aus dem Linac Coherent Light Source (LCLS) durch die supererhitzte Probe. Als sie von den vibrierenden Atomen abprallten, verschob sich die Frequenz der Röntgenstrahlen leicht, was die Geschwindigkeit der Atome und damit ihre Temperatur zeigte.

'Die neuartige Temperaturmessungstechnik, die in dieser Studie entwickelt wurde, zeigt, dass LCLS an der Spitze der Forschung in Bezug auf mit Laser erhitzte Materie steht,' sagte Siegfried Glenzer, Direktor der Abteilung für Hochenergie-Dichtewissenschaften am SLAC und Co-Autor der Studie. 'LCLS spielt zusammen mit diesen innovativen Techniken eine wichtige Rolle bei der Förderung der Wissenschaft zur Hochenergiedichte und bei der Entwicklung von transformativen Anwendungen wie der Inertialfusion.'

Das Team war begeistert, erfolgreich diese Technik demonstriert zu haben - und als sie sich die Daten genauer ansahen, entdeckten sie etwas noch Aufregenderes.

'Wir waren überrascht, eine viel höhere Temperatur in diesen supererhitzten Festkörpern zu finden, als wir ursprünglich erwartet hatten, was eine langjährige Theorie aus den 1980er Jahren widerlegt,' sagte White. 'Das war nicht unser ursprüngliches Ziel, aber darum geht es in der Wissenschaft - neue Dinge zu entdecken, von denen Sie nicht wussten, dass sie existieren.'

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Jedes Material hat spezifische Schmelz- und Siedepunkte, die den Übergang von fest zu flüssig und von flüssig zu gasförmig markieren. Es gibt jedoch Ausnahmen. Wenn Wasser beispielsweise schnell in sehr glatten Behältern erhitzt wird - wie in einem Glas Wasser in der Mikrowelle -, kann es "überhitzt" werden und Temperaturen über 100 Grad Celsius (212 Grad Fahrenheit) erreichen, ohne tatsächlich zu kochen. Dies geschieht, weil es keine raue Oberflächen oder Verunreinigungen gibt, um die Bildung von Blasen auszulösen.

Aber dieser Trick der Natur birgt ein erhöhtes Risiko: Je weiter ein System von seinen normalen Schmelz- und Siedepunkten abweicht, desto anfälliger ist es für das, was Wissenschaftler als "Katastrophe" bezeichnen - ein plötzlicher Beginn von Schmelzen oder Kochen, ausgelöst durch geringfügige Umweltveränderungen. Zum Beispiel kocht Wasser explosiv, das in der Mikrowelle überhitzt wurde, wenn es gestört wird, was potenziell zu schweren Verbrennungen führen kann.

Obwohl einige Experimente gezeigt haben, dass es möglich ist, diese Zwischenlimits zu umgehen, indem Materialien schnell erhitzt werden, erklärte White: „Die Entropiekatastrophe wurde immer noch als ultimative Grenze angesehen.“

In ihrer aktuellen Studie entdeckte das Team, dass das Gold auf erstaunliche 19.000 Kelvin (33.740 Grad Fahrenheit) überhitzt wurde - mehr als 14 Mal seinen Schmelzpunkt und weit über dem vorgeschlagenen Grenzwert der Entropiekatastrophe, während es seine feste kristalline Struktur beibehielt.

„Es ist wichtig zu betonen, dass wir das Zweite Gesetz der Thermodynamik nicht verletzt haben“, sagte White mit einem Lächeln. „Was wir gezeigt haben, ist, dass diese Katastrophen vermieden werden können, wenn Materialien extrem schnell erhitzt werden - in unserem Fall innerhalb von Billionstel Sekunden.“

Die Forscher glauben, dass das schnelle Erhitzen das Gold daran hinderte, sich auszudehnen, sodass es seinen festen Zustand bewahren konnte. Die Ergebnisse legen nahe, dass es möglicherweise kein oberes Limit für überhitzte Materialien gibt, wenn sie schnell genug erhitzt werden.

Das SLAC ermöglicht Forschung zu Materialien für Fusionsreaktoren und Fusionsbrennstoffziele sowie atomare Beobachtungen von Fusionsreaktionen.

Nagler merkte an, dass Forscher, die sich mit warmem dichtem Material befassen, wahrscheinlich seit Jahren den Grenzwert der Entropiekatastrophe überschritten haben, ohne es zu realisieren, aufgrund des Mangels an einer zuverlässigen Methode zur direkten Temperaturmessung.

„Wenn unser erstes Experiment mit dieser Technik eine große Herausforderung für die etablierte Wissenschaft darstellte, freue ich mich darauf zu sehen, welche anderen Entdeckungen noch bevorstehen“, sagte Nagler.

Als nur ein Beispiel haben Whites und Naglers Teams diese Methode dieses Jahr erneut angewendet, um die Temperatur von Materialien zu untersuchen, die stoßverdichtet wurden, um die Bedingungen tief im Inneren von Planeten zu replizieren.

Nagler ist auch gespannt darauf, die neue Technik anzuwenden - die Atomtemperaturen von 1.000 bis 500.000 Kelvin genau bestimmen kann - bei der laufenden Forschung zur Trägheitsfusion an SLAC.

„Wenn ein Fusionsbrennstoffziel in einem Fusionsreaktor implodiert, befinden sich die Ziele in einem warm dichten Zustand“, erklärte Nagler. „Um nützliche Ziele zu entwerfen, müssen wir wissen, bei welchen Temperaturen sie wichtige Zustandsänderungen durchlaufen. Jetzt haben wir endlich eine Möglichkeit, diese Messungen durchzuführen.“

Weitere Informationen: Thomas G. White et al, Überhitzung von Gold über der prognostizierten Entropiekatastrophengrenze, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09253-y

Journalinformation: Nature

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