El oro sobrecalentado soporta la 'catástrofe de entropía': Nuevo método desafía la física establecida

23 de julio de 2025

por Erin Woodward, Laboratorio Nacional SLAC de Aceleradores

editado por Gaby Clark, revisado por Andrew Zinin

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Investigadores que realizaron la primera medición directa de la temperatura de los átomos en materiales extremadamente calientes, inadvertidamente refutaron una teoría de décadas de antigüedad y cambiaron nuestra comprensión de la supercalefacción.

Es notoriamente difícil medir la temperatura de cosas realmente calientes. Ya sea el plasma en ebullición en nuestro sol, las condiciones extremas en el núcleo de los planetas o las fuerzas aplastantes presentes en un reactor de fusión, lo que los científicos llaman 'materia densa caliente' puede alcanzar cientos de miles de grados kelvin.

Saber exactamente qué tan calientes están estos materiales es crucial para que los investigadores comprendan completamente dichos sistemas complejos, pero hasta ahora, tomar estas medidas ha sido prácticamente imposible.

'Tenemos buenas técnicas para medir la densidad y presión de estos sistemas, pero no la temperatura', dijo Bob Nagler, científico del laboratorio de aceleradores nacionales SLAC del Departamento de Energía. 'En estos estudios, las temperaturas siempre son estimados con grandes barras de error, lo cual realmente obstaculiza nuestros modelos teóricos. Ha sido un problema de décadas'.

Ahora, por primera vez, un equipo de investigadores informa en la revista Nature que han medido directamente la temperatura de los átomos en materia densa caliente.

Mientras que otros métodos dependen de modelos complejos y difíciles de validar, este nuevo método mide directamente la velocidad de los átomos, y por lo tanto la temperatura del sistema. Ya, su método innovador está cambiando nuestra comprensión del mundo: En un debut experimental, el equipo sobrecalentó oro sólido mucho más allá del límite teórico, anulando inesperadamente cuatro décadas de teoría establecida.

Nagler y los investigadores del instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) de SLAC co-dirigieron este estudio con Tom White, profesor asociado de física en la Universidad de Nevada, Reno. El grupo incluye investigadores de la Universidad de Queen, el European XFEL (Láser de Electrones Libres de Rayos X), la Universidad de Columbia, la Universidad de Princeton, la Universidad de Oxford, la Universidad de California, Merced, y la Universidad de Warwick, Coventry.

Durante casi una década, este equipo ha trabajado para desarrollar un método que evite los desafíos habituales de medir temperaturas extremas, específicamente, la breve duración de las condiciones que crean esas temperaturas en el laboratorio y la dificultad de calibrar cómo estos sistemas complejos afectan a otros materiales.

'Finalmente, hemos tomado una medición directa y sin ambigüedades, demostrando un método que se puede aplicar en todo el campo', dijo White.

Bajo condiciones extremas —como las que se presentan en los corazones de los planetas o en estrellas en explosión— los materiales pueden entrar en otras fases exóticas con características únicas. En SLAC, los investigadores están estudiando algunas de las formas de materia más extremas y exóticas jamás creadas, en detalle nunca antes posible.

En el instrumento MEC de SLAC, el equipo utilizó un láser para sobrecalentar una muestra de oro. A medida que el calor atravesaba la muestra ultrafina de nanómetros, sus átomos comenzaron a vibrar a una velocidad directamente relacionada con su temperatura creciente. Luego, enviaron un pulso de rayos X ultrabrillantes del Linac Coherent Light Source (LCLS) a través de la muestra sobrecalentada. Al dispersarse de los átomos vibrantes, la frecuencia de los rayos X cambiaba ligeramente, revelando la velocidad de los átomos y por lo tanto su temperatura.

'La novedosa técnica de medición de temperatura desarrollada en este estudio demuestra que el LCLS está en la vanguardia de la investigación de materia calentada por láser', dijo Siegfried Glenzer, director de la división de Ciencia de Alta Energía en SLAC y coautor del artículo. 'LCLS, junto con estas técnicas innovadoras, desempeñan un papel importante en el avance de la ciencia de alta energía y aplicaciones transformadoras como la fusión inercial'.

El equipo se emocionó al haber demostrado con éxito esta técnica —y a medida que examinaban más a fondo los datos, descubrieron algo aún más emocionante.

'Nos sorprendió encontrar una temperatura mucho más alta en estos sólidos sobrecalentados de lo que inicialmente esperábamos, lo que refuta una teoría de larga data desde la década de 1980', dijo White. 'Este no era nuestro objetivo original, pero de eso se trata la ciencia: descubrir cosas nuevas que no sabías que existían'

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