Các nhà vật lý đã nung vàng nóng quá mức, tới nhiệt độ gấp 14 lần điểm nóng chảy của nó, qua đó bác bỏ một dự đoán tồn tại suốt thời gian dài về giới hạn nhiệt độ của chất rắn.
Thông thường, vàng nóng chảy ở 1.300 Kelvin — một nhiệt độ còn nóng hơn cả dung nham mới phun trào từ núi lửa. Nhưng gần đây, các nhà khoa học đã bắn một tia laser vào một mẫu vàng dày chỉ vài nanomet và nung nó lên tới nhiệt độ đáng kinh ngạc là 19.000 Kelvin (tương đương 18.726 độ C) — tất cả mà không làm vật liệu này tan chảy.
Thành tựu này hoàn toàn bất ngờ và đã lật đổ một lý thuyết vật lý được chấp nhận suốt 40 năm qua về giới hạn nhiệt độ của vật liệu rắn. Các nhà nghiên cứu đã báo cáo kết quả này trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature.
"Điều này cực kỳ đáng ngạc nhiên," Thomas White, thành viên nhóm nghiên cứu từ Đại học Nevada, Reno, cho biết. "Chúng tôi đã hoàn toàn bị sốc khi thấy nó thực sự nóng đến mức nào."
Vượt qua "Thảm họa Entropy"
Nhiệt độ đo được này đã vượt xa giới hạn được gọi là "thảm họa entropy" của vàng — điểm mà tại đó, entropy (mức độ hỗn loạn) trong vật liệu được cho là sẽ buộc nó phải tan chảy. Các nhà lý thuyết đã dự đoán rằng vượt qua giới hạn đó, vàng ở thể rắn sẽ có entropy cao hơn vàng ở thể lỏng — một sự vi phạm rõ ràng các định luật nhiệt động lực học.
Bằng cách đo được một nhiệt độ nóng bỏng như vậy ở trạng thái rắn, các nhà nghiên cứu đã bác bỏ dự đoán trên. Họ nhận ra rằng vàng rắn của họ có thể được nung nóng quá mức như vậy vì nó được làm nóng cực kỳ nhanh chóng: tia laser của họ chỉ bắn vào vàng trong vỏn vẹn 45 femtogiây (tức 45 phần triệu tỷ của một giây). Quá trình "nung nóng chớp nhoáng" này nhanh đến mức vật liệu không có thời gian để giãn nở, và do đó giữ cho entropy nằm trong giới hạn của các định luật vật lý đã biết.
Vẫn còn những hoài nghi
"Tôi muốn chúc mừng các tác giả về thí nghiệm thú vị này," Sheng-Nian Luo, một nhà vật lý tại Đại học Giao thông Tây Nam ở Trung Quốc, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết. "Tuy nhiên, sự tan chảy dưới những điều kiện cực nhanh, cực nhỏ và cực kỳ phức tạp như vậy có thể bị diễn giải quá mức." Ông cho rằng vàng trong thí nghiệm là một chất rắn bị ion hóa và được nung nóng theo cách có thể đã gây ra áp suất nội tại cao, do đó kết quả có thể không áp dụng cho các chất rắn thông thường dưới áp suất bình thường.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu nghi ngờ rằng sự ion hóa và áp suất có thể giải thích được các phép đo của họ. "Nhiệt độ cực cao của vàng không thể được giải thích một cách hợp lý chỉ bằng những hiệu ứng này," White nói. "Quy mô của việc nung nóng quá mức quan sát được cho thấy đây thực sự là một chế độ hoàn toàn mới."
"Nhiệt kế" X-quang mạnh nhất thế giới
Để đo nhiệt độ của vàng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một tia laser khác — trong trường hợp này là tia laser X-quang mạnh nhất thế giới, dài tới 3 km. Cỗ máy này, có tên là Nguồn sáng Coherent Linac (LCLS) tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC ở California, gia tốc các electron đến hơn 99% tốc độ ánh sáng và sau đó bắn chúng qua các từ trường uốn lượn để tạo ra một chùm tia cực sáng gồm một nghìn tỷ (10¹²) photon tia X.
Khi tia laser này bắn vào mẫu vật siêu nóng, các photon tia X bị tán xạ khỏi các nguyên tử bên trong vật liệu, cho phép các nhà nghiên cứu đo được vận tốc của các nguyên tử, từ đó đo được nhiệt độ của chúng một cách hiệu quả.
Ý nghĩa và ứng dụng tương lai
"Đóng góp lâu dài lớn nhất sẽ là việc chúng ta hiện có một phương pháp để đo lường các nhiệt độ này một cách thực sự chính xác," Bob Nagler, một nhà khoa học tại SLAC, cho biết.
Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ sử dụng kỹ thuật này trên các loại "vật chất đậm đặc ấm" khác, chẳng hạn như các vật liệu mô phỏng lõi của các ngôi sao và hành tinh. Cho đến nay, họ chưa có cách nào tốt để đo nhiệt độ của vật chất ở trạng thái nóng bỏng như vậy, vốn thường chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của một giây. Sau thử nghiệm với vàng, nhóm đã hướng "nhiệt kế" laser của mình vào một miếng lá sắt được nung nóng bằng sóng xung kích laser để mô phỏng các điều kiện tại tâm Trái Đất. "Với phương pháp này, chúng ta có thể xác định nhiệt độ nóng chảy là bao nhiêu," Nagler nói. "Những câu hỏi này cực kỳ quan trọng nếu bạn muốn mô hình hóa Trái Đất."
Kỹ thuật đo nhiệt độ này cũng sẽ hữu ích để dự đoán cách các vật liệu được sử dụng trong các thí nghiệm phản ứng tổng hợp hạt nhân (nhiệt hạch) sẽ hoạt động. Ví dụ, Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (National Ignition Facility) bắn laser vào một mục tiêu nhỏ để nung nóng và nén nó nhanh chóng nhằm kích hoạt phản ứng nhiệt hạch. Giờ đây, các nhà vật lý có thể xác định điểm nóng chảy cho các mục tiêu khác nhau — điều này có nghĩa là toàn bộ lĩnh vực này có thể sẽ "nóng lên" trong tương lai gần.
