Vedci z amerického laboratória SLAC uskutočnili prelomový experiment, ktorý zásadne mení doterajšie chápanie superhorúcej hmoty a zároveň popiera teóriu starú štyridsať rokov. Po prvý raz v histórii sa im podarilo priamo zmerať teplotu atómov v tzv. „teplej hustej hmote“, čo je stav látky, ktorý sa vyskytuje napríklad v jadrách planét, pri explóziách hviezd alebo v plazme vo vnútri fúznych reaktorov.

Tím vedcov, vedený Bobom Naglerom zo SLAC National Accelerator Laboratory a Tomom Whitom z University of Nevada, Reno, publikoval výsledky svojej práce v prestížnom časopise Nature.

Extrémne podmienky

Meranie teploty pri extrémnych podmienkach bolo doteraz pre vedu obrovskou výzvou. Známe boli len údaje o hustote a tlaku, no teplota sa často odhadovala s obrovskou neistotou. „V týchto štúdiách sú teploty vždy len odhady s obrovskými chybami, čo brzdí vývoj našich teoretických modelov. Je to problém, ktorý nás trápi už desaťročia,“ vysvetľuje výskumník Nagler.

V rámci experimentu vedci použili výkonný laser, ktorým bleskovo zohriali extrémne tenkú vzorku zlata. Táto vzorka bola vystavená teplotám vyšším ako 18 000 stupňov Celzia, (viac než štrnásťnásobok teploty topenia zlata), a to všetko za menej než bilióntinu sekundy. V tejto fáze materiál zostal v pevnej kryštalickej štruktúre, čo odporuje doterajšiemu predpokladu známeho ako „entropická katastrofa“, podľa ktorého by látka pri takýchto podmienkach mala okamžite skolabovať do kvapalného alebo plynného stavu.

Prekvapenie

Kľúčom k meraniu bola nová technika: vedci nechali cez superohriatu vzorku prejsť ultrajasné röntgenové lúče z urýchľovača LCLS (Linac Coherent Light Source), ktoré sa rozptýlili na vibrujúcich atómoch. Posun frekvencie rozptýleného žiarenia im umožnil vypočítať rýchlosť pohybu atómov, a tým aj ich presnú teplotu. „Nakoniec sme priamo a jednoznačne zmerali teplotu, čo je metóda, ktorú možno aplikovať v celom odbore,“ uviedol White.

Vedci boli prekvapení zistením, že zlato nielenže prežilo extrémne superohriatie, ale zároveň úplne obišlo tzv. hranicu entropickej katastrofy. „Toto sme pôvodne neplánovali, ale práve o tom je veda – objavovať veci, o ktorých ste ani netušili, že existujú,“ dodal White.

Dôležité však je, že vedci neporušili druhý zákon termodynamiky. Samotné zákony fyziky zostávajú platné aj naďalej. „To, čo sme dokázali, je, že tieto katastrofy možno obísť, ak látky zahrejeme extrémne rýchlo – v našom prípade v bilióntinách sekundy,“ vysvetľuje White. Práve táto rýchlosť zrejme zabránila expanzii zlata, čo mu umožnilo zachovať si pevnú štruktúru.

Gemini

Ďalšie objavy čoskoro

Nová metóda má obrovský potenciál aj pre výskum jadrovej fúzie. Nagler zdôrazňuje, že štúdium „teplej hustej hmoty“ je kľúčové pre vývoj efektívnych fúznych palivových cieľov. „Keď sa cieľová kapsula v reaktore zrúti, dostane sa do stavu teplej hustej hmoty. Aby sme mohli navrhovať funkčné ciele, musíme vedieť, pri akej teplote prechádza látka dôležitými zmenami. Teraz konečne máme spôsob, ako tieto hodnoty zistiť,“ hovorí vedec.

Nové merania teploty sa už využili aj pri štúdiu materiálov, ktoré boli vystavené nárazovým tlakom s cieľom simulovať podmienky v hĺbkach planét. A to je len začiatok. Vedci veria, že táto prelomová technológia povedie k ďalším objavom, ktoré zmenia naše chápanie hmoty pri extrémnych podmienkach. „Ak už náš prvý experiment spôsobil otras v zaužívanej vede, som zvedavý, čo všetko ešte objavíme,“ uzavrel Nagler.