Жар ада оказался бессилен: золото выдержало рекордную температуру и осталось твёрдым

Физики сумели нагреть золото до температуры свыше 19 000 °C — более чем в 14 раз выше точки его плавления — и при этом металл оставался твёрдым. Этот результат противоречит фундаментальному закону материаловедения, принятому десятилетиями, и открывает новое направление в изучении свойств вещества при экстремальных температурах.

Исследование, опубликованное в Nature, ставит под сомнение концепцию "энтропийной катастрофы" — теоретической границы, считавшейся непреодолимой для твёрдых тел.

Как проводился эксперимент

Работа проходила в Национальной ускорительной лаборатории SLAC (Калифорния) с использованием рентгеновского лазера на свободных электронах LCLS. Учёные облучали тончайшую золотую фольгу лазерными импульсами длительностью всего 45 фемтосекунд. Скорость нагрева составила около 6x10¹⁵ K/с — рекорд для экспериментов с металлами.

Чтобы зафиксировать происходящее внутри образца, исследователи применили метод рентгеновского рассеяния. Фотоны, проходящие сквозь фольгу, позволили измерить температуру ионов и сохранить информацию о структуре кристаллической решётки.

Оказалось, что даже при 19 000 K золото сохраняло свою атомную структуру около трёх пикосекунд — в сотни раз дольше, чем ожидалось. Только после этого начиналось плавление.

"Мы думали, что законы энтропии — это жёсткие ограничения. Но, как показал эксперимент, в экстремальных условиях они больше похожи на ориентиры", — сказал физик Том Уайт из Университета Невады.

Почему золото не расплавилось

В классических моделях твёрдое тело переходит в жидкость, когда вибрации решётки становятся слишком сильными. Здесь же нагрев происходил так стремительно, что атомы попросту не успели перестроиться.

"У золота не было времени расплавиться. Это всё равно что резко нажать на газ: колёса крутятся, а машина ещё стоит", — пояснил соавтор исследования Боб Наглер.

Рентгеновские снимки подтвердили сохранение брэгговских пиков, указывающих на порядок в структуре. Лишь спустя триллионные доли секунды они исчезли, что означало начало плавления.

Это показало: старые модели, созданные в 1980-х, не учитывают неравновесных процессов при сверхбыстром нагреве.

Научное значение

Открытие имеет последствия сразу для нескольких областей:

• Ядерный синтез. Новая методика позволяет измерять температуру ионов напрямую, а не только оценивать её по электронным моделям. Это критически важно для понимания поведения топлива в момент реакций.

• Планетология. Модели формирования планет и строения их ядер можно будет уточнить, учитывая, как ведёт себя материя при экстремальном давлении и температуре. Это особенно актуально для Юпитера, Сатурна и "суперземель".

• Материаловедение. Возможность сохранять твёрдое состояние при колоссальных температурах открывает перспективы для создания ультрапрочных материалов, пригодных для работы в экстремальных условиях.

"Когда термоядерное топливо взрывается, важно знать, где и когда начинается плавление. Теперь мы можем видеть это напрямую", — отметил Наглер.

Перспективы

Учёные считают, что подобные исследования могут изменить наше понимание физических пределов вещества. Если золото и другие металлы способны сохранять твёрдость при температурах, ранее считавшихся невозможными, значит, законы термодинамики в экстремальных условиях нужно пересмотреть.

Этот эксперимент стал первым шагом в изучении новой области — сверхбыстрых фазовых переходов. Его результаты помогут не только пересмотреть фундаментальные модели, но и создать технологии будущего — от энергетики до космических материалов.