Phát hiện điều kỳ lạ khi nung vàng ở nhiệt độ 19.000 độ

Bằng cách sử dụng laser công suất lớn kết hợp với tia X siêu sáng, các nhà nghiên cứu tại SLAC cùng các tổ chức hợp tác đã nung nóng vàng lên mức 19.000^o K– cao gấp hơn 14 lần điểm nóng chảy của nó – trong khi kim loại này vẫn giữ trạng thái rắn. Thành tựu này không chỉ định nghĩa lại giới hạn của vật chất trong điều kiện khắc nghiệt, mà còn mở ra cánh cửa cho những hiểu biết mới về cấu trúc bên trong các hành tinh, nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch, và vật lý mật độ năng lượng cao.

Đo cái “không thể đo”: Giải mã bí ẩn nhiệt độ

Đo nhiệt độ của vật chất siêu nóng là một trong những thách thức khó khăn nhất của khoa học. Từ plasma hỗn loạn trên Mặt Trời, áp suất khủng khiếp sâu trong lòng hành tinh, đến môi trường khắc nghiệt trong các lò phản ứng nhiệt hạch, nhiều vật liệu rơi vào trạng thái gọi là “vật chất đậm đặc ấm” (warm dense matter), với nhiệt độ có thể đạt hàng trăm nghìn độ kelvin.

Đối với các nhà khoa học, việc biết chính xác nhiệt độ của những vật liệu này là điều tối quan trọng để hiểu cách chúng vận động. Thế nhưng cho tới gần đây, việc đo đạc chính xác gần như là bất khả thi.

Bob Nagler, nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia SLAC (thuộc Bộ Năng lượng Mỹ) cho biết: “Chúng ta có những kỹ thuật tốt để đo mật độ và áp suất của các hệ thống này, nhưng không có kỹ thuật chuẩn xác cho nhiệt độ”. Trong những nghiên cứu này, nhiệt độ thường chỉ là ước lượng với sai số rất lớn và điều đó kìm hãm mô hình lý thuyết của chúng ta. Đây đã là một vấn đề kéo dài hàng thập niên”.

Giờ đây, theo báo cáo đăng trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu đã thực hiện được phép đo trực tiếp đầu tiên về nhiệt độ nguyên tử trong trạng thái vật chất đậm đặc ấm. Khác với các phương pháp trước đây dựa trên mô hình phức tạp, kỹ thuật này tính toán nhiệt độ bằng cách theo dõi vận tốc thực sự của các nguyên tử. Trong thí nghiệm đầu tiên, nhóm đã nung nóng vàng rắn vượt xa giới hạn nhiệt dự đoán, qua đó lật đổ một lý thuyết vật lý tồn tại suốt 40 năm qua.

Công trình do Nagler và nhóm nghiên cứu tại thiết bị MEC (Matter in Extreme Conditions) của SLAC đồng chủ trì cùng Tom White, phó giáo sư vật lý tại Đại học Nevada. Nhóm còn có sự tham gia của các nhà khoa học từ Đại học Queen’s Belfast, XFEL châu Âu, Đại học Columbia, Đại học Princeton, Đại học Oxford, Đại học California Merced và Đại học Warwick.

Kỹ thuật đo đặc biệt

Suốt gần một thập niên, nhóm đã tìm cách phát triển phương pháp vượt qua hai rào cản chính: thời gian tồn tại cực ngắn của trạng thái nhiệt độ cực cao trong phòng thí nghiệm và khó khăn trong việc hiệu chỉnh tác động của các hệ thống phức tạp lên những vật liệu khác. White cho biết: “Cuối cùng, chúng tôi đã có thể đo trực tiếp và rõ ràng, chứng minh một phương pháp có thể áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực này .

Tại MEC, nhóm sử dụng laser để siêu nung nóng một mẫu vàng mỏng cỡ nanomet. Khi nhiệt truyền qua, các nguyên tử bắt đầu dao động với tốc độ tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Nhóm sau đó bắn một xung tia X siêu sáng từ nguồn LCLS (Linac Coherent Light Source) xuyên qua mẫu vàng siêu nung nóng. Khi tia X tán xạ khỏi các nguyên tử đang dao động, tần số của chúng thay đổi đôi chút, hé lộ tốc độ nguyên tử và từ đó suy ra nhiệt độ.

Siegfried Glenzer, giám đốc bộ phận Khoa học Mật độ Năng lượng Cao tại SLAC và đồng tác giả bài báo, nhận định: “Kỹ thuật đo nhiệt độ mới này cho thấy LCLS đang ở tuyến đầu của nghiên cứu vật chất nung nóng bằng laser. Kết hợp LCLS với các kỹ thuật sáng tạo này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy khoa học mật độ năng lượng cao và các ứng dụng đột phá như nhiệt hạch quán tính”.

Phát hiện ngoài dự kiến

Khi nhóm đã thành công với kỹ thuật mới, việc phân tích dữ liệu lại mang đến một bất ngờ lớn hơn. White kể: “Chúng tôi bất ngờ phát hiện nhiệt độ trong các chất rắn siêu nung nóng này cao hơn nhiều so với dự đoán, điều này bác bỏ một lý thuyết tồn tại từ những năm 1980. Đây không phải là mục tiêu ban đầu của chúng tôi, nhưng khoa học là như vậy, đôi khi phát hiện ra những điều chưa từng nghĩ tới”.

Khoa học về siêu nung nóng

Mọi vật liệu đều có điểm nóng chảy và điểm sôi, đánh dấu ranh giới từ rắn sang lỏng và từ lỏng sang khí. Tuy nhiên, vẫn có ngoại lệ. Chẳng hạn, khi nước được làm nóng rất nhanh trong bình cực nhẵn – như một cốc nước trong lò vi sóng – nó có thể trở nên “siêu nung nóng”, đạt nhiệt độ trên 100°C mà không sôi, do không có bề mặt gồ ghề hay tạp chất để kích hoạt quá trình sôi.

Nhưng hiện tượng này đi kèm rủi ro: càng vượt xa điểm nóng chảy hay sôi, hệ thống càng dễ gặp “thảm họa entropy” – sự tan chảy hoặc sôi đột ngột chỉ vì một thay đổi nhỏ trong môi trường. Ví dụ, nước siêu nung nóng trong lò vi sóng có thể sôi bùng phát khi bị khuấy, gây bỏng nghiêm trọng.

Dù một số thí nghiệm đã cho thấy có thể vượt qua những giới hạn trung gian này bằng cách làm nóng nhanh, “thảm họa entropy vẫn được coi là ranh giới tối hậu”, White giải thích.

Trong nghiên cứu mới, nhóm phát hiện vàng đã được siêu nung nóng tới 19.000 kelvin – cao gấp hơn 14 lần điểm nóng chảy và vượt xa giới hạn entropy dự đoán – nhưng vẫn giữ cấu trúc tinh thể rắn.

White nói vui: “Cần nhấn mạnh là chúng tôi không vi phạm Định luật II của Nhiệt động lực học. Điều chúng tôi chứng minh là các ‘thảm họa’ này có thể tránh được nếu vật liệu được nung cực nhanh – trong trường hợp của chúng tôi là trong phần nghìn tỷ giây”.

Các nhà nghiên cứu cho rằng tốc độ nung nóng siêu nhanh đã ngăn vàng giãn nở, giúp nó duy trì trạng thái rắn. Kết quả gợi ý rằng có thể không tồn tại giới hạn trên của siêu nung nóng, nếu tốc độ nung đủ nhanh.

Ứng dụng cho khoa học hành tinh và nhiệt hạch

Nagler lưu ý rằng các nhà nghiên cứu vật chất đậm đặc ấm có lẽ đã vô tình vượt qua giới hạn entropy trong nhiều năm mà không hay biết, chỉ vì thiếu phương pháp đo trực tiếp đáng tin cậy. Nagler nói: “Nếu ngay ở thí nghiệm đầu tiên mà chúng tôi đã có thể thách thức một nền tảng khoa học, tôi rất háo hức chờ xem còn khám phá nào đang đợi phía trước”.

Ví dụ, mùa hè này, nhóm của White và Nagler đã áp dụng lại phương pháp để đo nhiệt độ của vật liệu bị nén sốc nhằm mô phỏng điều kiện sâu bên trong các hành tinh.

Nagler cũng mong muốn áp dụng kỹ thuật mới – có khả năng đo nhiệt độ nguyên tử từ 1.000 đến 500.000^oK – vào nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch quán tính tại SLAC. Nagler giải thích: “Khi mục tiêu nhiên liệu nhiệt hạch bị nén trong lò phản ứng, nó rơi vào trạng thái vật chất đậm đặc ấm. Để thiết kế mục tiêu hiệu quả, chúng ta cần biết nhiệt độ tại thời điểm xảy ra các biến đổi trạng thái quan trọng. Giờ đây, chúng ta cuối cùng đã có cách để đo đạc điều đó”.