Superhetad guld står emot 'entropikatastrof': Ny metod utmanar etablerad fysik

23 juli 2025

av Erin Woodward, SLAC National Accelerator Laboratory

redigerad av Gaby Clark, granskad av Andrew Zinin

vetenskaplig redaktör

huvudredaktör

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och riktlinjer. Redaktörerna har framhävt följande attribut samtidigt som de säkerställt trovärdigheten i innehållet:

faktagranskad

granskad av kollegortrusted källa

korrekturläst

Forskare som tar den första direkta mätningen av atomtemperatur i extremt heta material avslöjade oavsiktligt en årtionden gammal teori och rubbade vår förståelse för översvämning.

Det är ökänt svårt att mäta temperaturen på riktigt heta saker. Oavsett om det är den kokande plasman i vår sol, de extrema förhållandena i planeternas kärnor eller de krossande krafterna inne i en fusionsreaktor, kan vad forskare kallar 'varm tät materia' nå hundratusentals grader kelvin.

Att veta exakt hur heta dessa material är är avgörande för forskare att fullt ut förstå sådana komplexa system, men att ta dessa mätningar har varit nästintill omöjligt tills nu.

'Vi har bra tekniker för att mäta densiteten och trycket i dessa system, men inte temperaturen', sa Bob Nagler, forskare vid energidepartementets SLAC National Accelerator Laboratory. 'I dessa studier är temperaturerna alltid uppskattningar med enorma felmarginaler, vilket verkligen hindrar våra teoretiska modeller. Det har varit ett årtionden långt problem.'

Nu har ett forskarteam för första gången rapporterat i tidskriften Nature att de har direkt mätt temperaturen hos atomer i varm tät materia.

Medan andra metoder förlitar sig på komplexa och svåra att validera modeller, mäter denna nya metod direkt hastigheten på atomerna och därmed systemets temperatur. Redan nu ändrar deras innovativa metod vår förståelse av världen: I ett experimentellt debut superhettade teamet fast guld långt över det teoretiska gränsvärdet och omkullkastade oväntat fyra årtionden av etablerad teori.

Nagler och forskare vid SLAC:s Matter in Extreme Conditions (MEC) instrument ledde denna studie tillsammans med Tom White, biträdande professor i fysik vid University of Nevada, Reno. Gruppen inkluderar forskare från Queen's University Belfast, European XFEL (X-ray Free-Electron Laser), Columbia University, Princeton University, University of Oxford, University of California, Merced och University of Warwick, Coventry.

I nästan ett årtionde har detta team arbetat för att utveckla en metod som kringgår de vanliga utmaningarna med att mäta extremt höga temperaturer - specifikt den korta varaktigheten av förhållandena som skapar dessa temperaturer i labbet och svårigheten att kalibrera hur dessa komplexa system påverkar andra material.

'Äntligen har vi direkt och otvetydigt tagit en direkt mätning och demonstrerat en metod som kan appliceras inom hela fältet,' sa White.

Under extrema förhållanden - som de i planeternas hjärtan eller i exploderande stjärnor - kan material gå in i andra exotiska faser med unika egenskaper. Vid SLAC studerar forskare några av de mest extrema och exotiska former av materia som någonsin skapats, i detalj som aldrig tidigare varit möjliga.

Vid SLAC:s MEC-instrument använde teamet en laser för att superhetta ett prov på guld. När värmen flimrade genom det nanometer-tunna provet började dess atomer vibrera med en hastighet som direkt relaterade till deras stigande temperatur. Teamet sände sedan en puls av ultrablinda röntgenstrålar från Linac Coherent Light Source (LCLS) genom det superhettade provet. När de spred sig av de vibrerande atomerna, skiftade röntgenstrålarnas frekvens något, vilket avslöjade atomernas hastighet och därmed deras temperatur.

'Den nya temperaturmätningsmetoden som utvecklats i denna studie visar att LCLS är i frontlinjen för laser-upphettad materia-forskning,' sa Siegfried Glenzer, direktör för avdelningen för högenergi-densitetsvetenskap vid SLAC och medförfattare till artikeln. 'LCLS, ihop med dessa innovativa tekniker, spelar en viktig roll för att främja hög energidensitet vetenskap och transformerande applikationer som inertial fusion.'

Teamet var mycket glada över att framgångsrikt ha demonstrerat denna teknik - och när de tittade djupare på data upptäckte de något ännu mer spännande.

'Vi blev förvånade över att hitta en mycket högre temperatur i dessa superheta fasta material än vi först förväntade oss, vilket motbevisar en långvarig teori från 1980-talet,' sa White. 'Det var inte vårt ursprungliga mål, men det är vad vetenskapen handlar om - att upptäcka nya saker som du inte visste existerade.'

Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Registrera dig för vårt gratis nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något - varje dag eller vecka.

Varje material har specifika smältpunkter och kokpunkter, vilket markerar övergången från fast till flytande och flytande till gas, respektive. Det finns dock undantag. Till exempel kan vatten, när det värms snabbt i mycket släta behållare - som ett glas vatten i en mikrovågsugn - bli 'superhett', nå temperaturer över 212 grader Fahrenheit (100 grader Celsius) utan att faktiskt koka. Detta sker eftersom det inte finns några grova ytor eller föroreningar för att utlösa bubbelbildning.

Men den här naturens trick kommer med en ökad risk: Ju mer ett system avviker från sina normala smältpunkter och kokpunkter, desto mer sårbar blir det för vad forskare kallar en katastrof - en plötslig påbörjan av smältning eller kokning utlöst av en liten miljöförändring. Till exempel kan vatten som har blivit superhett i en mikrovågsugn koka explosivt när den störs, vilket potentiellt kan orsaka allvarliga brännskador.

Vissa experiment har visat att det är möjligt att kringgå dessa mellanliggande gränser genom att snabbt värma material, "entropikatastrofen sågs fortfarande som det ultimata gränsen," förklarade White.

I sin senaste studie upptäckte teamet att guldet hade blivit superhett till en förbluffande 19 000 kelvin (33 740 grader Fahrenheit) - mer än 14 gånger dess smältpunkt och långt bortom det föreslagna entropikatastrofe-gränsen - samtidigt som det behöll sin fasta kristallina struktur.

'Det är viktigt att klargöra att vi inte bröt mot den andra termodynamikens lag,' sa White med ett skratt. 'Vad vi visade är att dessa katastrofer kan undvikas om material värms extremt snabbt - i vårt fall, inom biljondelar av en sekund.'

Forskarna tror att det snabba uppvärmningen förhindrade att guldet expanderade, vilket möjliggjorde att det behöll sin fasta form. Resultaten tyder på att det kanske inte finns någon övre gräns för superhettade material, om de värms tillräckligt snabbt.

SLAC möjliggör forskning om material för fusionskraftverk och fusionsbränslemål, samt atomnivåobservationer av fusionsreaktioner.

Nagler noterade att forskare som studerar varmt täta materialet förmodligen har överträffat entropikatastrofe-gränsen i åratal utan att inse det, på grund av avsaknaden av en pålitlig metod för direkt mätning av temperaturen.

'Om vårt första experiment med den här tekniken ledde till en större utmaning för etablerad vetenskap, kan jag inte vänta på att se vilka andra upptäckter som ligger framför oss,' sa Nagler.

Som bara ett exempel använde White och Naglers team den här metoden igen i sommar för att studera temperaturen hos material som har chocksammanspressats för att återskapa förhållandena djupt inne i planeter.

Nagler ser också fram emot att tillämpa den nya tekniken - som kan fastställa atomtemperaturer från 1 000 till 500 000 kelvin - pågående forskning om inertiat fusionsenergi vid SLAC.

'När ett fusionsbränslemål imploderar i en fusionsreaktor, befinner sig målen i en varm tätfas,' förklarade Nagler. 'För att designa användbara mål måste vi veta vid vilka temperaturer de genomgår viktiga tillståndsändringar. Nu har vi äntligen ett sätt att göra de mätningarna.'

Mer information: Thomas G. White et al, Superheating gold beyond the predicted entropy catastrophe threshold, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09253-y

Tidskriftsinformation: Nature

Tillhandahållet av SLAC National Accelerator Laboratory