El límite de la catástrofe de entropía de oro sobrecalentado ‘, anulando la física de 40 años
Los físicos sobrecalentaron el oro a 14 veces su punto de fusión, refutando una predicción de larga data sobre los límites de temperatura de los sólidos
Greg Stewart/SLAC National Acelerator Laboratory
El oro generalmente se derrite en 1.300 kelvins, una temperatura más caliente que la lava fresca de un volcán. Pero los científicos recientemente filmaron una muestra de oro de grosor de nanómetros con un láser y lo calentaron a 19,000 kelvins asombrosos (33,740 grados Fahrenheit), todo sin derretiendo el material. La hazaña fue completamente inesperada y ha revocado 40 años de física aceptada sobre los límites de temperatura de los materiales sólidos, informan los investigadores en un artículo publicado en la revista Naturaleza. “Esto fue extremadamente sorprendente”, dice el miembro del equipo de estudio Thomas White de la Universidad de Nevada, Reno. “Nos sorprendió totalmente cuando vimos lo caliente que realmente se puso”.
La temperatura medida está mucho más allá del límite propuesto por la “catástrofe de entropía” propuesta por el oro, el punto en el que la entropía o el desorden en el material debería obligarlo a derretir. Más allá de ese límite, los teóricos habían predicho el oro sólido tendría una entropía más alta que el oro líquido, una clara violación de las leyes de la termodinámica. Al medir una temperatura tan ampollable en un sólido en el nuevo estudio, los investigadores refutaron la predicción. Se dieron cuenta de que su oro sólido podía convertirse en sobrecalentado Debido a que se calentó increíblemente rápido: su láser derribó el oro por solo 45 femtosegundos, o 45 cuadrillonésimas de segundo, un “calentamiento flash” que fue demasiado rápido para permitir que el tiempo material se expandiera y, por lo tanto, mantuvo la entropía dentro de los límites de la física conocida.
“Me gustaría felicitar a los autores por este interesante experimento”, dice Sheng-Nian Luo, físico de la Universidad Southwest Jiaotong en China, que ha estudiado sobrecalentamiento en sólidos y no participó en la nueva investigación. “Sin embargo, la fusión de tales condiciones ultrarrasmall y ultracomplejes podrían ser exageradas”. El oro en el experimento fue un sólido ionizado calentado de una manera que puede haber causado una alta presión interna, dice, por lo que los resultados podrían no aplicarse a los sólidos normales bajo presiones regulares. Sin embargo, los investigadores dudan de que la ionización y la presión pueden explicar sus mediciones. La temperatura extrema del oro “no puede explicarse razonablemente solo por estos efectos”, dice White. “La escala de sobrecalentamiento observada sugiere un régimen realmente nuevo”.
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La científica del proyecto Chandra Curry trabaja en la fuente de luz coherente de Linac en el Laboratorio Nacional de Acelerador SLAC.
Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory
Para tomar la temperatura del oro, el equipo usó otro láser: en este caso, el láser de rayos X más potente del mundo, que es de tres kilómetros (1.9 millas) de largo. La máquina, la fuente de luz coherente de Linac en el Laboratorio Nacional de Acelerador de SLAC en California, acelera a los electrones a más del 99 por ciento de la velocidad de la luz y luego los dispara a través de campos magnéticos ondulantes para crear un haz muy brillante de un billón (10 (10 (1012) Fotones de rayos X.
Cuando este láser disparó a la muestra sobrecalentada, los fotones de rayos X dispersaron los átomos dentro del material, lo que permite a los investigadores medir las velocidades de los átomos para tomar efectivamente la temperatura del oro.
“La mayor contribución duradera será que ahora tenemos un método para medir con precisión estas temperaturas”, dice Bob Nagler, miembro del equipo de estudio, científico del personal de SLAC. Los investigadores esperan utilizar la técnica en otros tipos de “materia densa cálida”, como los materiales destinados a imitar el interior de las estrellas y los planetas. Hasta ahora, no han tenido una buena manera de tomar la temperatura de la materia en los estados tan tostados, que generalmente duran solo fracciones de segundo. Después de la prueba de oro, el equipo giró su termómetro láser en un trozo de lámina de hierro que se había calentado con una onda de choque láser para simular condiciones en el centro de nuestro planeta. “Con este método, podemos determinar cuál es la temperatura de fusión”, dice Nagler. “Estas preguntas son muy importantes si desea modelar la Tierra”.
La técnica de temperatura también debe ser útil para predecir cómo se comportarán los materiales utilizados en los experimentos de fusión. El Centro de encendido nacional en Lawrence Livermore Laboratorio Nacional, por ejemplo, dispara láseres a un pequeño objetivo para calentarlo rápidamente y comprimirlo para encender la fusión termonuclear. Los físicos ahora pueden determinar el punto de fusión para diferentes objetivos, lo que significa que todo el campo podría estar calentándose en el futuro cercano.