Ultravékony aranylapokat egy lézerrel az olvadáspontjuknál 14-szer magasabb hőmérsékletre hevítettek, azok mégis szilárdak maradtak.
Ez a fajta túlhevítés jelentősen meghaladja az elméleti határt – és felveti a kérdést, hogy egyáltalán létezik-e ilyen határ.
A túlhevítés egy gyakori jelenség, melynek során egy szilárd testet az olvadáspontja, egy folyadékot pedig a forráspontja fölé lehet hevíteni anélkül, hogy halmazállapotot váltana. Például a mikróban a vizet 100 °C fölé melegítheted, és nem fog forrni, amíg a csésze elég sima és mozdulatlan. De elég egy apró zavaró hatás, és a folyadék azonnal heves forrásba kezd.
Úgy tartják, hogy a szilárd testek esetében létezik egy felső túlhevítési határ, ami a kelvinben mért olvadáspontjuk körülbelül háromszorosa. Ezt a pontot entrópiakatasztrófának nevezik: itt a szilárd halmazállapot entrópiája (amit gyakran a rendszer rendezetlenségének mértékeként határoznak meg) magasabbá válik, mint a folyékony halmazállapoté. Ha egy anyag e hőmérséklet felett is szilárd maradna, az sértené a termodinamika második főtételét, amely szerint a legtöbb rendszerben az entrópia idővel nem csökkenhet.
Amerikai fizikusok egy kísérlettel bizonyították, hogy az aranyat jóval az entrópiakatasztrófa pontja fölé is lehet hevíteni. Az eredményeiket a Nature című folyóiratban tették közzé.
Egy nagy teljesítményű lézersugarat egy 50 nanométer vastag aranylapra irányítottak, és a másodperc 45 kvadrilliomod részére kapcsolták be. A minta hőmérsékletét egy viszonylag új módszerrel mérték: elemezték a visszaverődő röntgensugarak frekvenciaváltozását, és ebből számították ki, mennyi plusz energiát vettek fel az aranytól.
„Amikor megmértük ezeket a hőmérsékleteket, teljesen ledöbbentünk: "Tényleg lehet ennyire forró anélkül, hogy megolvadna?"” – emlékszik vissza Thomas White, a Rinói Nevadai Egyetem fizikusa.
Miután meggyőződtek róla, hogy a mérések pontosak, a kutatócsoport felülvizsgálta az elméletet. Rájöttek, hogy az arany ultragyors hevítése során a szilárd halmazállapot entrópiája alacsonyabb maradhat, mint amilyen a potenciális folyékony halmazállapoté lenne. Ez tette lehetővé a korábban jósolt hőmérsékleti határ átlépését.
„Fontos kiemelni, hogy ezzel nem sértettük meg a termodinamika második főtételét” – hangsúlyozza White.
Elmondása szerint a túlhevítés valódi határa továbbra is nyitott kérdés. „Talán az 1980-as években azt hittük, megtaláltuk a választ ezzel a túlhevítési határral, de most úgy gondolom, a kérdés ismét napirendre került. Mégis meddig lehet hevíteni egy anyagot, mielőtt megolvad?” – teszi fel a kérdést a kutató.
A szilárd testek hevítésének röntgensugarakkal történő mérése rendkívül rövid időskálán hasznos lehet annak tanulmányozásában, hogyan hatnak az extrém hőmérsékleti és nyomásviszonyok – például a bolygók magjában – a különböző anyagokra, jegyezte meg Sam Vinko az Oxfordi Egyetemről. „Jelenleg nincs megbízható módszerünk arra, hogy ilyen rövid időtartamok alatt megmérjük a szilárd testek hőmérsékletét.”
Az is érdekes kérdés, hogy ez a jelenség az aranyon kívül más szilárd anyagokra is érvényes-e, és hogy egyáltalán létezik-e az olvadás előtti hevítésnek felső határa.
„A legizgalmasabb kérdés az, hogy vajon megkerülhető-e a termodinamika szinte összes törvénye pusztán azzal, hogy olyan gyorsan cselekszünk, hogy azok a megszokott értelemben már nem érvényesülnek?” – vonta le a következtetést Vinko.
