Superheated gold withstands 'entropy catastrophe': New method challenges established physics

23 juillet 2025

par Erin Woodward, Laboratoire national d'accélération SLAC

édité par Gaby Clark, révisé par Andrew Zinin

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Des chercheurs réalisant la première mesure directe de la température des atomes dans des matériaux extrêmement chauds ont involontairement réfuté une théorie ancienne et bouleversé notre compréhension de la surchauffe.

Il est notoirement difficile de mesurer la température de choses vraiment chaudes. Que ce soit le plasma bouillonnant dans notre soleil, les conditions extrêmes au cœur des planètes ou les forces écrasantes à l'œuvre à l'intérieur d'un réacteur de fusion, ce que les scientifiques appellent la 'matière dense et chaude' peut atteindre des centaines de milliers de degrés kelvin.

Savoir précisément la température de ces matériaux est crucial pour que les chercheurs comprennent pleinement de tels systèmes complexes, mais prendre ces mesures était, jusqu'à présent, pratiquement impossible.

'Nous disposons de bonnes techniques pour mesurer la densité et la pression de ces systèmes, mais pas la température,' a déclaré Bob Nagler, chercheur titulaire au Laboratoire national d'accélération SLAC du Département de l'Énergie. 'Dans ces études, les températures sont toujours estimées avec de grandes marges d'erreur, ce qui bloque vraiment nos modèles théoriques. C'est un problème vieux de plusieurs décennies.'

Maintenant, pour la première fois, une équipe de chercheurs rapporte dans la revue Nature qu'ils ont directement mesuré la température des atomes dans la matière dense et chaude.

Alors que d'autres méthodes reposent sur des modèles complexes et difficiles à valider, cette nouvelle méthode mesure directement la vitesse des atomes, et donc la température du système. Déjà, leur méthode innovante change notre compréhension du monde : Dans un premier essai expérimental, l'équipe a surchauffé de l'or solide bien au-delà de la limite théorique, renversant inopinément quatre décennies de théorie établie.

Nagler et des chercheurs de l'instrument Matter in Extreme Conditions (MEC) de SLAC ont co-dirigé cette étude avec Tom White, professeur associé de physique à l'Université du Nevada, Reno. Le groupe comprend des chercheurs de l'Université Queen's de Belfast, de l'European XFEL (laser à électrons libres à rayons X), des universités de Columbia, de Princeton, d'Oxford, de Californie Merced, et de Warwick, Coventry.

Depuis près d'une décennie, cette équipe travaille au développement d'une méthode qui contourne les défis habituels de la mesure des températures extrêmes - en particulier, la brièveté des conditions qui créent ces températures en laboratoire et la difficulté de calibrer comment ces systèmes complexes affectent d'autres matériaux.

'Enfin, nous avons pris directement et de manière non ambiguë une mesure directe, démontrant une méthode qui peut être appliquée dans tout le domaine,' a déclaré White.

Dans des conditions extrêmes - comme celles au cœur des planètes ou dans les étoiles en explosion - les matériaux peuvent entrer dans d'autres phases exotiques avec des caractéristiques uniques. À SLAC, les chercheurs étudient certaines des formes de matière les plus extrêmes et exotiques jamais créées, dans un niveau de détail jamais possible auparavant.

Avec l'instrument MEC de SLAC, l'équipe a utilisé un laser pour surchauffer un échantillon d'or. Alors que la chaleur traversait l'échantillon mince de quelques nanomètres, ses atomes ont commencé à vibrer à une vitesse directement liée à leur température croissante. L'équipe a ensuite envoyé une impulsion de rayons X ultrabrillants provenant du Linac Coherent Light Source (LCLS) à travers l'échantillon surchauffé. Lorsqu'ils se sont dispersés des atomes vibrants, la fréquence des rayons X a légèrement changé, révélant la vitesse des atomes et donc leur température.

La technique innovante de mesure de température développée dans cette étude démontre que le LCLS est à l'avant-garde de la recherche sur la matière chauffée au laser,' a déclaré Siegfried Glenzer, directeur de la division Science de la Haute Énergie à SLAC et co-auteur de l'article. 'Le LCLS, associé à ces techniques innovantes, joue un rôle important dans l'avancement de la science à haute densité d'énergie et des applications transformatrices comme la fusion inertielle.'

L'équipe était ravie d'avoir réussi à démontrer cette technique - et en examinant plus profondément les données, ils ont découvert quelque chose de encore plus excitant.

'Nous avons été surpris de trouver une température beaucoup plus élevée dans ces solides surchauffés que ce que nous pensions initialement, ce qui contredit une théorie de longue date des années 1980,' a déclaré White. 'Ce n'était pas notre objectif initial, mais c'est ainsi que fonctionne la science - découvrir de nouvelles choses que vous ne saviez pas existantes.'

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Chaque matériau a des points de fusion et d'ébullition spécifiques, marquant la transition de solide à liquide et de liquide à gazeux, respectivement. Cependant, il y a des exceptions. Par exemple, lorsque l'eau est chauffée rapidement dans des récipients très lisses, tels qu'un verre d'eau dans un micro-ondes, elle peut devenir 'surchauffée', atteignant des températures supérieures à 100 degrés Celsius (212 degrés Fahrenheit) sans jamais bouillir. Cela se produit car il n'y a pas de surfaces rugueuses ou d'impuretés pour déclencher la formation de bulles.

Mais ce tour de passe-passe de la nature s'accompagne d'un risque accru : plus un système s'éloigne de ses points de fusion et d'ébullition normaux, plus il est vulnérable à ce que les scientifiques appellent une catastrophe - un déclenchement soudain de la fusion ou de l'ébullition provoqué par un léger changement environnemental. Par exemple, de l'eau surchauffée dans un micro-ondes bouillira de manière explosive lorsqu'elle est perturbée, causant potentiellement des brûlures graves.

Alors que certaines expériences ont montré qu'il est possible de contourner ces limites intermédiaires en chauffant rapidement les matériaux, 'la catastrophe de l'entropie a toujours été considérée comme la limite ultime,' a expliqué White.

Dans leur récente étude, l'équipe a découvert que l'or avait été surchauffé à des températures ahurissantes de 19 000 kelvins (33 740 degrés Fahrenheit) - plus de 14 fois son point de fusion et bien au-delà de la limite de catastrophe d'entropie proposée - tout en conservant sa structure cristalline solide.

'Il est important de préciser que nous n'avons pas violé la Deuxième Loi de la Thermodynamique,' a déclaré White avec un sourire. 'Ce que nous avons démontré, c'est que ces catastrophes peuvent être évitées si les matériaux sont chauffés extrêmement rapidement - dans notre cas, en une fraction de seconde.'

Les chercheurs pensent que le chauffage rapide a empêché l'or de se dilater, lui permettant de conserver son état solide. Les résultats suggèrent qu'il n'y a peut-être pas de limite supérieure pour les matériaux surchauffés, s'ils sont chauffés suffisamment rapidement.

Le SLAC permet de mener des recherches sur les matériaux pour les centrales électriques à fusion et les cibles de combustible de fusion, ainsi que des observations au niveau atomique des réactions de fusion.

Nagler a souligné que les chercheurs qui étudient la matière dense et chaude dépassent probablement la limite de catastrophe d'entropie depuis des années sans le réaliser, en raison de l'absence d'une méthode fiable pour mesurer directement la température.

'Si notre première expérience utilisant cette technique a conduit à un défi majeur pour la science établie, j'ai hâte de voir quelles autres découvertes nous attendent,' a déclaré Nagler.

À titre d'exemple, les équipes de White et de Nagler ont de nouveau utilisé cette méthode cet été pour étudier la température des matériaux comprimés par choc pour reproduire les conditions à l'intérieur des planètes.

Nagler est également impatient d'appliquer la nouvelle technique - qui peut mesurer les températures atomiques de 1 000 à 500 000 kelvins - à la recherche en cours sur l'énergie de fusion inertielle au SLAC.

'Lorsqu'une cible de combustible de fusion implose dans un réacteur de fusion, les cibles se trouvent dans un état dense et chaud,' a expliqué Nagler. 'Pour concevoir des cibles utiles, nous devons connaître les températures auxquelles elles subiront des changements d'état importants. Maintenant, nous disposons enfin d'un moyen de mesurer ces températures.'

Plus d'informations : Thomas G. White et al, Surchauffe de l'or au-delà du seuil de catastrophe d'entropie prédit, Nature (2025). DOI : 10.1038/s41586-025-09253-y

Informations sur la revue : Nature

Fourni par Laboratoire National d'Accélération SLAC