Vàng “sống sót” ở 18.700°C, lật đổ lý thuyết vật lý tồn tại suốt 40 năm

Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã đo trực tiếp nhiệt độ nguyên tử trong vật chất ở điều kiện cực hạn, phá vỡ một lý thuyết kéo dài bốn thập kỷ về giới hạn siêu nung nóng của chất rắn.

Tại phòng thí nghiệm SLAC (Mỹ, một nhóm các nhà khoa học đã sử dụng laser cực mạnh và tia X siêu sáng để nung vàng lên tới 19.000 kelvin (khoảng 18.727°C), cao gấp hơn 14 lần điểm nóng chảy của loại vật liệu này, trong khi vàng vẫn giữ trạng thái rắn. Kết quả thu được không chỉ xác định lại giới hạn của vật chất, mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới về cấu trúc hành tinh, năng lượng nhiệt hạch và vật lý mật độ năng lượng cao.

Ý nghĩa lớn

Vật chất ở nhiệt độ cực cao, như plasma trên Mặt Trời hay vùng sâu bên trong các hành tinh, thường đạt tới trạng thái gọi là “vật chất đậm đặc ấm” với nhiệt độ hàng trăm nghìn kelvin. Trước đây, nhiệt độ của chúng gần như chỉ có thể ước lượng, sai số rất lớn.

Phương pháp mới tại SLAC theo dõi trực tiếp tốc độ rung của nguyên tử bằng tia X để tính ra nhiệt độ. Trong thí nghiệm đầu tiên, họ nung vàng rắn vượt xa giới hạn nhiệt được dự đoán, thách thức lý thuyết từ thập niên 1980.

Laser siêu mạnh làm nóng mẫu vàng mỏng chỉ trong phần nghìn tỷ giây. Nguyên tử rung nhanh hơn khi nhiệt độ tăng. Tia X từ nguồn LCLS quét qua, tần số bị dịch nhẹ theo dao động nguyên tử, cho phép xác định chính xác nhiệt độ.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy vàng đạt tới 19.000 kelvin mà vẫn rắn, vượt xa “giới hạn thảm họa entropy” – mức mà người ta cho rằng mọi chất rắn sẽ mất cấu trúc. Bí quyết nằm ở việc nung cực nhanh, khiến vàng chưa kịp giãn nở và tan chảy.

Phát hiện này gợi ý rằng vật liệu có thể được siêu nung nóng tới mức chưa từng biết, nếu tốc độ gia nhiệt đủ nhanh. Kiến thức mới hứa hẹn cải thiện hiểu biết về lõi hành tinh, cũng như thiết kế mục tiêu trong nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch, nơi vật liệu ở trạng thái “vật chất đậm đặc ấm” cần được đo nhiệt chính xác.