Исследователи из американского Университета Невады смогли нагреть образец твёрдого золота до температуры, более чем в 14 раз превышающей его температуру плавления, минуя предел, известный как энтропийная катастрофа. Этот подход может привести к лучшему пониманию того, как вещества меняют фазовое состояние на фундаментальном уровне, и даже к улучшению производства материалов.
Энтропия — важнейшая физическая величина. Энтропия изолированной системы всегда увеличивается, как показывает второй закон термодинамики, — к примеру, жидкая вода более хаотична, чем кубик льда, поэтому её энтропия выше. В целом, твёрдые тела обладают меньшей энтропией, чем жидкости, однако существуют некоторые исключения. Теоретически можно достичь у жидкости той же энтропии, что у твёрдого тела, если опустить её температуру ниже точки замерзания. Точно так же возможно нагреть твёрдое тело до температуры выше точки плавления.
Этот процесс и называется энтропийной катастрофой: критическая температура, при которой перегретое твёрдое тело и жидкость обладают одинаковой энтропией. Однако добиться этого очень сложно, что, впрочем, удалось группе американских учёных, которые использовали золотые плёнки толщиной 50 нанометров. Образец нагревали рентгеновским лазером в течение 45 фемтосекунд (одна фемтосекунда составляет одну миллионную миллиардную секунды). За это время температура образца резко возросла.
Когда лазер попадал на золото, внешние электроны распространяли энергию по всему образцу. Вскоре каждый атом начал колебаться в такт с этой повышенной температурой, которая превысила температуру энтропийной катастрофы более чем на 2 пикосекунды (2 триллионных доли секунды).
Иными словами, тончайшие листы золота, кратковременно облучаемые лазерами, смогли нагреться до температуры, в 14 раз превышающей их температуру плавления, оставаясь при этом твердыми. Этот эксперимент подводит нас к самому краю физики фазовых переходов: возможно, если бы мы научились лучше контролировать перегрев и плавление, мы даже смогли бы обойти законы термодинамики.