Учёные смогли нагреть твёрдое золото до температуры, значительно превышающей его точку плавления, и удержать его в этом состоянии. Этот эксперимент позволяет пересмотреть представления о физических ограничениях, связанных с фазовыми переходами. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nature.
![]()
Фото из открытых источников / Иллюстративное изображение
В основе исследования лежит понятие энтропии — характеристики системы, отражающей степень её беспорядка. Согласно второму закону термодинамики, энтропия изолированной системы не уменьшается. В твёрдом состоянии вещества частицы упорядочены, а в жидком — более хаотичны, что отражается в разнице значений энтропии.
Существуют теоретические пределы, связанные с перегревом твёрдого тела. При достижении определённой температуры, превышающей примерно в три раза точку плавления, энтропия твёрдого вещества становится равной энтропии жидкости. Этот порог называют энтропийной катастрофой. Для золота, точка плавления которого составляет 1064 градуса Цельсия, критическая температура значительно выше.
Ранее считалось, что преодолеть этот предел невозможно из-за физических явлений, препятствующих сохранению твёрдой структуры при столь высоких температурах. Однако команда под руководством Томаса Уайта из Университета Невады в Рино использовала тонкие золотые плёнки толщиной 50 нанометров и нагревала их рентгеновским лазером с экстремально короткой длительностью импульса — порядка 45 фемтосекунд. За это время температура образца резко возросла.
Металлы состоят из положительных ионов, окружённых «электронным морем», что определяет их электропроводность и другие свойства. Воздействие лазера возбуждает внешние электроны, передавая энергию всему образцу и вызывая колебания атомов, связанные с температурой.
В ходе эксперимента удалось поддержать температуру выше порога энтропийной катастрофы более чем на 2 пикосекунды. Такой быстрый нагрев не даёт материалу расшириться, что позволяет сохранить его кристаллическую структуру в условиях экстремального перегрева.
При этом следует учитывать, что температура — это характеристика системы в состоянии термодинамического равновесия, а лазерный нагрев выводит материал из равновесия. Поэтому измерения температуры в таких условиях требуют осторожного подхода.
