XFEL: Temperaturrekord: Überhitztes Gold trotzt physikalischem Limit

Ein internationales Team von Forschenden hat in einem beachtenswerten Versuch zugleich einen Temperaturrekord gebrochen, eine langjährige Theorie widerlegt und eine neue Methode der Laserspektroskopie für dichte Plasmen eingesetzt. Ein Artikel zu dieser Arbeit ist nun in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

In ihrer Forschungsarbeit mit dem Titel „Superheating gold beyond the predicted entropy catastrophe threshold“ (Überhitzung von Gold jenseits der vorhergesagten Entropiekatastrophe) berichten die Forschenden, dass es ihnen gelungen sei, Gold auf über 19.000 Kelvin zu erhitzen – mehr als das 14-fache seines Schmelzpunkts – ohne dass es seine feste, kristalline Struktur verlor. Das Ergebnis stellt ein bisher als unumstößlich geltendes theoretisches Limit infrage, das als Entropiekatastrophe bekannt ist. Die Theorie der Entropiekatastrophe besagt, dass Festkörper oberhalb des etwa dreifachen ihrer Schmelztemperatur nicht stabil bleiben können und sich spontan verflüssigen. Der Schmelzpunkt von Gold liegt bei 1.337 Kelvin. Er wurde in diesem Experiment weit mehr als verdreifacht.

Dazu beschossen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der University of Nevada, Reno, des SLAC National Accelerator Laboratory, der University of Oxford, der Queen’s University Belfast, des European XFEL und der University of Warwick eine dünne Goldfolie am SLAC National Accelerator Laboratory der Stanford University mit einem leistungsstarken Laser, der nur 50 Billiardstel einer Sekunde (eine Millionstel einer Milliardstel Sekunde) lang aktiv war. Die Geschwindigkeit, mit der das Gold erhitzt wurde, scheint der Grund dafür zu sein, dass das Metall festblieb.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Limit der Überhitzung von Festkörpern weit höher liegen könnte – oder möglicherweise gar nicht existiert – wenn die Erhitzung schnell genug erfolgt. Die in dieser Studie verwendeten neuen Methoden zur Untersuchung überhitzter Materialien eröffnen der Hochenergie-Dichte-Physik neue Forschungsfelder, beispielsweise in Bereichen wie der Planetenphysik oder der Fusionsenergieforschung.