Cientistas simultaneamente quebraram um recorde de temperatura, refutaram uma teoria de longa data e utilizaram 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 intitulado “Superaquecendo o ouro além do limite de catástrofe de entropia previsto”, os físicos revelaram que foram capazes de 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 refuta o limite teórico de longa data conhecido como a catástrofe de entropia. A teoria da catástrofe de entropia afirma que sólidos não podem permanecer estáveis acima de aproximadamente três vezes sua temperatura de fusão sem derreter espontaneamente. O ponto de fusão do ouro, 1.337 Kelvin (1.947 graus Fahrenheit), foi mais do que triplicado neste experimento que utilizou um laser extremamente poderoso no Laboratório Nacional SLAC da Universidade de Stanford.
“Eu esperava que o ouro aquecesse significativamente antes de derreter, mas não esperava um aumento de temperatura de quatorze vezes”, disse White.
Para aquecer o ouro, os 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 um bilionésimo). A velocidade com que o ouro foi aquecido parece ser a razão pela qual ele permaneceu sólido. As descobertas sugerem que o limite de superaquecimento de sólidos pode ser muito mais alto – ou inexistente – se o aquecimento ocorrer rapidamente 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, eles precisariam de um termômetro muito especial.
“Usamos a Fonte de Luz Coerente Linac, um laser de raio-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 havia sido possível antes.”
“Estou incrivelmente grato pela oportunidade de contribuir para uma ciência tão inovadora 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 do SLAC e coautor do artigo. “Em particular, oferece o único método direto atualmente disponível para sondar a temperatura de estados densos quentes encontrados durante a fase de implosão de experimentos de energia de fusão inercial. Assim, está pronto para fazer uma contribuição transformadora para nossa compreensão e controle das condições de plasma relevantes para fusão.”
Juntamente com os designers do experimento, 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 revolucionária e do aprendizado contínuo que o Dr. White e sua equipe estão liderando para promover futuras áreas de pesquisa crítica benéficas para 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 ganhar insights sobre os interiores dos planetas.
Vários alunos de pós-graduação de White e um aluno 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 do laboratório de White, Jacob Molina, um ex-aluno de graduação atualmente cursando seu doutorado na Universidade de Princeton e Landon Morrison, um ex-aluno de graduação cursando 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 inovadora 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 pesquisa em fusão. Depois da graduação, continuarei esse trabalho como cientista da equipe no European XFEL.”
