Cientistas simultaneamente quebraram um recorde de temperatura, derrubaram uma teoria há muito mantida e utilizam um novo método de espectroscopia a laser para plasmas densos em um artigo inovador publicado em 23 de julho na revista Nature.
No artigo de pesquisa, “Superaquecendo o ouro além do limite predito do cataclismo de entropia”, físicos revelaram que conseguiram aquecer o ouro a mais de 19.000 Kelvin (33.740 graus Fahrenheit), mais de 14 vezes seu ponto de fusão, sem que ele perdesse sua estrutura sólida e cristalina.
“Este é possivelmente o material cristalino mais quente já registrado”, disse Thomas White, autor principal e Professor Endowed Clemons-Magee em Física na Universidade de Nevada, Reno.
Esse resultado derruba o limite teórico de longa data conhecido como cataclismo de entropia. A teoria do cataclismo de entropia afirma que sólidos não podem permanecer estáveis acima de aproximadamente três vezes sua temperatura de fusão sem fundir espontaneamente. O ponto de fusão do ouro, de 1.337 Kelvin (1.947 graus Fahrenheit), foi ultrapassado em muito mais de três vezes neste experimento que utilizou um laser extremamente potente no Laboratório Nacional SLAC da Universidade de Stanford.
“Eu esperava que o ouro aquecesse bastante antes de derreter, mas não esperava um aumento de temperatura de quatorze vezes”, disse White.
Para aquecer o ouro, pesquisadores da Universidade de Nevada, Reno, do Laboratório Nacional SLAC, da Universidade de Oxford, da Queen’s University Belfast, do European XFEL e da Universidade de Warwick projetaram um experimento para aquecer uma fina folha de ouro usando um laser disparado por 50 quadrilionésimos de segundo (um milionésimo de bilionésimo). A rapidez com que o ouro foi aquecido parece ser a razão pela qual ele permaneceu sólido. Os achados sugerem que o limite do superaquecimento de sólidos pode ser muito maior – ou inexistente – se o aquecimento ocorrer rápido o suficiente. Os novos métodos utilizados neste estudo abrem o campo da física de alta densidade de energia para mais explorações, incluindo áreas de física planetária e pesquisa em energia de fusão.
White e sua equipe esperavam que o ouro derretesse em seu ponto de fusão, mas para medir a temperatura dentro da folha de ouro, precisariam de um termômetro muito especial.
“Usamos a Fonte de Luz Coerente Linac, um laser de raios X de 3 quilômetros de comprimento no SLAC, como essencialmente o maior termômetro do mundo”, disse White. “Isso nos permitiu medir a temperatura dentro do plasma denso pela primeira vez, algo que não era possível antes.”
“Estou incrivelmente grato pela oportunidade de contribuir para uma ciência tão de ponta usando plataformas experimentais bilionárias ao lado de colaboradores de classe mundial.” — Estudante de doutorado Travis Griffin
“Esse desenvolvimento abre caminho para diagnósticos de temperatura em uma ampla gama de ambientes de alta densidade de energia,” disse Bob Nagler, cientista da equipe no SLAC e coautor do artigo. “Em particular, oferece o único método direto atualmente disponível para investigar a temperatura de estados densos quentes encontrados durante a fase de implosão de experimentos de energia de fusão por inércia. Como tal, está prestes a fazer uma contribuição transformadora para nossa compreensão e controle das condições de plasma relevantes para fusão.”
Juntamente com os projetistas experimentais, o artigo de pesquisa é o resultado de uma década de trabalho e colaboração entre a Universidade de Columbia, a Universidade de Princeton, a Universidade de Pádua e a Universidade da Califórnia, Merced.
“É extremamente empolgante ter esses resultados publicados, e estou realmente ansioso para ver quais avanços podemos fazer no campo com esses novos métodos,” disse White.
A pesquisa, financiada pela Administração Nacional de Segurança Nuclear, abrirá novas portas em estudos de materiais superaquecidos.
“O Programa Acadêmico da Administração Nacional de Segurança Nuclear é um orgulhoso apoiador da inovação pioneira e do aprendizado contínuo que o Dr. White e sua equipe estão liderando para avançar áreas críticas de pesquisa que beneficiam a Empresa de Segurança Nuclear,” disse Jahleel Hudson, diretor do Escritório de Tecnologia e Parcerias da NNSA.
White e seus colegas retornaram à Fonte de Luz Coerente Linac em julho para medir a temperatura dentro do ferro comprimido quente e estão usando esses resultados para obter insights sobre os interiores dos planetas.
Vários alunos de pós-graduação de White e um estudante de graduação foram coautores do estudo, incluindo o estudante de doutorado Travis Griffin, o estudante de graduação Hunter Stramel, Daniel Haden, um ex-pós-doutorando no laboratório de White, Jacob Molina, um ex-estudante de graduação atualmente perseguindo seu doutorado na Universidade de Princeton e Landon Morrison, um ex-estudante de graduação que está em busca de seu mestrado na Universidade de Oxford. Jeremy Iratcabal, professor assistente de pesquisa no Departamento de Física, também foi coautor do artigo.
“Estou incrivelmente grato pela oportunidade de contribuir para uma ciência tão de ponta usando plataformas experimentais bilionárias ao lado de colaboradores de classe mundial,” disse Griffin. “Essa descoberta destaca o poder dessa técnica, e estou empolgado com as possibilidades que ela abre para o futuro da física de alta densidade de energia e da pesquisa em fusão. Após a graduação, continuarei este trabalho como cientista da equipe no European XFEL.”
