“Entropi felaketi” sınırı aşıldı: Katı altının sınırlarını zorlayan deney

Bilim insanları, fizik dünyasında “entropi felaketi” olarak bilinen sınırı aşarak, katı altını olağanüstü sıcaklıklara çıkarmayı başardı. Nevada Üniversitesi’nden Thomas White ve ekibi, sadece saniyenin çok küçük bir bölümünde, altını erime sıcaklığının 14 katına kadar ısıttı. Bu deney, maddelerin nasıl faz değiştirdiğini anlamak açısından önemli bir adım olarak kabul ediliyor.

Entropi, bir sistemdeki düzensizliğin ölçüsü ve doğanın temel kurallarından biri. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, izole bir sistemde entropi, yani düzensizlik hep artar. Örneğin sıvı su, buzdan daha düzensizdir; bu yüzden daha yüksek entropiye sahiptir. Genellikle katılar sıvılara göre daha düzenlidir, yani daha düşük entropiye sahiptir. Ancak aşırı koşullarda bu durum değişebilir.

Bilimsel olarak, bir sıvı aşırı soğutularak entropisi katıya yaklaştırılabilir. Tersine, bir katı da olağan erime noktasının çok ötesine kadar ısıtılarak sıvı halinin entropisine ulaşabilir. Bu noktaya ulaşmak, “entropi felaketi” olarak adlandırılır. Çünkü bu sıcaklık genellikle erime noktasının üç katına çıkar. Altın için bu sınır yaklaşık 3.200 santigrat derece civarındadır.

Ancak bu sıcaklığa ulaşmak kolay değil. Çünkü madde o noktaya gelmeden önce erimeye ya da bozulmaya başlar. Bu zorluğa “felaket hiyerarşisi” adı verilir. Yani doğa, bu aşırı koşullara karşı direnç gösterir.

Yeni çalışmada, yalnızca 50 nanometre kalınlığındaki altın filmler kullanıldı. Bu kalınlık, bir virüsün yaklaşık yarısı kadar. Numuneler, 45 femtosaniyelik X-ışını lazer darbeleriyle ısıtıldı. Bu son derece kısa sürede, altının sıcaklığı dramatik şekilde yükseldi.

Metallerin yapısı, pozitif yüklü iyonların etrafında serbest dolaşan elektronlardan oluşur. Bu yapı, metallere elektrik ve ısı iletkenliği gibi özelliklerini kazandırır. Lazer ışını, bu serbest elektronlara çarptığında enerji tüm yapıya yayılır. Atomlar hızla titreşmeye başlar ve bu hareket, araştırmacılar tarafından ölçülebildi.

Ekip, bu süper ısıtmayı iki farklı yöntemle gerçekleştirdi ve her iki durumda da entropi felaketi olarak bilinen sıcaklık sınırı başarıyla aşıldı. Bu başarıda kilit faktör, maddenin bu sıcaklıklara ulaşmasına rağmen çok kısa sürede ısındığı için henüz yapısal olarak bozulmaya vakit bulamamasıydı. Yani, atomlar arasındaki kristal yapı anlık olarak bozulmadan kalmayı başardı.

Burada önemli bir nokta var: Sıcaklık, aslında parçacıkların ortalama hareket hızıdır. Ancak bu deneyde, lazerle verilen enerji sistemde dengesizlik yarattığı için, ölçülen sıcaklık geleneksel anlamda denge halindeki sıcaklıkla tam olarak örtüşmeyebilir.

Yine de elde edilen sonuçlar, faz geçişlerinin sınırlarına ışık tutuyor. Eğer bu tür aşırı koşullarda maddenin davranışını daha iyi kontrol edebilirsek, gelecekte yeni nesil malzemeler üretme konusunda önemli adımlar atılabilir.

Çalışma Nature dergisinde yayımlandı.