Прямое измерение атомного тепла опровергает старую догму о перегреве

Как золото пережило четырнадцать температур плавления, почему старая модель оказалась неполной и что это значит для будущего? Есть в физике догмы, которые живут так долго, что их принимают за естественный закон природы, вроде гравитации или второго закона термодинамики. Догма о том, что твёрдое тело невозможно нагреть выше трёх температур его плавления, относилась именно к таким. Её называли красиво — «энтропийная катастрофа». Считалось, что где-то за пределом 3 Tₘ решётка перестаёт быть устойчивой, порядок исчезает, а кристалл мгновенно распадается в жидкость. Четыре десятилетия эта идея жила тихо и уверенно: её приводили в статьях, на лекциях, в моделях ультрабыстрого плавления металлов и в расчётах планетных недр. Почти никто не задавался вопросом, а проверял ли кто-нибудь этот предел экспериментально. Ответ оказался прост: нет. Прямых измерений температуры ионов в сверхбыстро нагретом твёрдом теле не было до недавнего времени. И вот теперь, впервые в истории, это измерение сделали. И оказалось, что реальность гораздо удивительнее теории: золото, доведённое до температуры примерно в 14 раз выше точки плавления, не утратило кристаллического порядка. Оно не просто выдержало, но и по всем признакам оставалось твёрдым. Это не нарушение законов физики. Это указание на то, что прежнее понимание термодинамики было ограничено миром медленных, равновесных процессов. В ультрабыстрых режимах кристалл ведёт себя иначе. Микроскопические процессы происходят быстрее, чем успевает включиться классическая термодинамика. Откуда появилась идея энтропийной катастрофы В конце 1980-х Фехт и Джонсон предложили элегантный аргумент: если сравнить энтропию твёрдой и жидкой фаз, то при определённой температуре они должны сравняться. Логика такая: жидкость более беспорядочна, и если нагреть кристалл достаточно сильно, то он станет хаотичным настолько, что ничем не будет отличаться от сплава. В этот момент, по их расчётам, кристалл обязан исчезнуть как устойчивая фаза. Температура, при которой наступает этот энтропийный парадокс, была примерно в районе 3 Tₘ . Прекрасная идея. Стройная. И полностью теоретическая. За ней не стояло ни одного прямого измерения температуры ионов в твёрдом теле, нагретом сверхтемпературно. Как учёные впервые увидели температуру атомов Комбинация современных рентгеновских лазеров и фемтосекундных оптических импульсов сделала это возможным: Плёнка золота толщиной 50 нм. Оптический импульс 45 фс, нагревающий её быстрее, чем она успевает расшириться. Ультрачистый рентгеновский луч с шириной энергетической линии ≈ 32 meV. Спектрометр с разрешением ≈ 45–50 meV, способный различать малейшие изменения энергии фотонов. С помощью неупругого рассеяния рентгеновских лучей измерили доплеровский сдвиг фотонов, ударяющихся о движущиеся атомы. По этому сдвигу вычисляется скорость атомов, а значит, их реальная температура, без догадок и подгонки под теорию. Основные параметры эксперимента и результаты Параметр | Значение / комментарий | Толщина плёнки золота | 50 нм | Длительность оптического импульса | 45 фс | Скорость нагрева | 3.5×10¹⁵ – 6×10¹⁵ K/s | X-ray probe ширина линии | ≈ 32 meV | Разрешение спектрометра | ≈ 45–50 meV | Измеренная температура ионов (низкая мощность) | 13 800 ± 3 200 K (~10 Tₘ) | Измеренная температура ионов (высокая мощность) | 19 000 ± 4 000 K (~14 Tₘ) | Состояние кристалла | Порядок сохранялся 2–3 пс, пики дифракции на месте | Количество колебательных периодов решётки в 2–3 пс | >10 | Основной метод измерения | Inelastic X-ray scattering (прямое измерение температуры ионов) | Золото при 19 000 K Эксперимент с рентгеновским лазером показал удивительное: даже при ионной температуре около 19 000 K (почти в 14 раз выше температуры плавления!) золото не расплавилось. Анализ рентгеновской дифракционной картины (то есть, характерного узора, который создают лучи, рассеиваясь на атомах кристалла) показал, что атомы продолжали занимать свои места в решётке. Кристалл оставался кристаллом на протяжении примерно 2–3 пикосекунд, что достаточно для более десяти колебаний атомной решётки. Что особенно поражает: решётка почти не успевала расширяться, а пики дифракции оставались на своих местах, демонстрируя удивительную устойчивость кристаллического порядка. Такой эффект возможен только при ультрабыстром нагреве, когда энергия передаётся ионам быстрее, чем кристалл успевает реагировать термодинамически. Классическая энтропийная катастрофа просто не успевает проявиться. Проще говоря, золото в этих условиях ведёт себя как новая форма материи: атомы движутся хаотично, но решётка удерживает порядок, словно если бы она «замерла во времени». Почему старая теория дала трещину Старые расчёты не были ошибочными. Они описывали медленный, равновесный процесс, где: решётка успевает расшириться, электронная и ионная системы остаются в термодинамическом равновесии, энтропия растёт за счёт увеличения объёма. В ультрабыстрых процессах: решётка не успевает расшириться; электронная теплоёмкость почти постоянна; отличие твёрдой и жидкой фаз происходит не по энтропии, а по геометрии; классическая термодинамика не успевает включиться. Что это меняет? Ранее модели ультрабыстрой лазерной обработки исходили из простого предположения: если энергия выше порога, металл расплавится. Это ограничивало глубину воздействия, качество поверхности, микрообработку материалов. Теперь мы видим, что можно нагреть металл до фантастических температур, и он не расплавится. Это открывает новые состояния: твёрдые плазмы, где кристалл существует при ионных температурах, достаточных для испарения; ультрагорячие решётки, где связи жёстче обычного из-за нелинейных фононных мод; новые режимы обработки, где механические свойства меняются без образования расплава; методы записи структур на поверхности без капиллярных дефектов. А что с планетами? В астрофизике и физике планетарных недр такие результаты тоже важны. Глубоко внутри гигантских планет давление огромно, температура достигает десятков тысяч K, а плотность остаётся твердотельной. До сих пор считалось, что при определённом сочетании P–T кристалл не может существовать. Если золото сохраняет порядок при 14 Tₘ без расширения, возможно, и железо, кремний, магний в суперземлях могут существовать в неожиданных фазах. Главный инструмент — прямое измерение Самое важное — метод прямого измерения температуры ионов в сверхбыстрых процессах. Это как перейти от телескопа Галилея к Хабблу. Можно: проверять модели ультрабыстрого плавления на основе данных, а не догадок; изучать твёрдую плазму с разными температурами электронов и ионов; видеть, как кристаллы распадаются под импульсами 10–20 фс; обнаруживать новые фазы материи, невозможные при медленных процессах. Есть ли предел? Пока никто не знает. Возможно, никаких фундаментальных ограничений и нет. Пока материал не успевает расшириться, его энтропия ниже, чем у жидкости. Странные твёрдые фазы могут существовать при сверхвысоких температурах, ранее даже не обсуждаемых. Золото — первый пример. В ближайшие годы, вероятно, мы увидим, что вольфрам или кремний могут выдерживать немыслимые температуры. Итог Исследователи не опровергли термодинамику, а показали, что теория была частью большего ландшафта. Она описывала мир медленных процессов, а мир быстрых до сих пор оставался за горизонтом наблюдаемого. Теперь горизонт расширился.