Физики нагрели воду лазером до 160 тысяч градусов за 0,000000000000075 секунды

Физики из Германии, Швеции и США подогрели воду с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах и перевели ее в состояние теплого плотного вещества. При этом температура жидкости выросла на 160 тысяч градусов всего за 75 фемтосекунд, что делает разработанный учеными нагреватель самым быстрым в мире. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), кратко о ней сообщает пресс-релиз DESY.

Температура — это мера средней кинетической энергии молекул вещества. Чем быстрее движутся составляющие объект частицы, тем больше энергии они будут передавать при столкновениях с датчиком, прислоненным к объекту или помещенным в его объем (например, с градусником или пальцем), и тем горячее будет казаться объект. Следовательно, для нагревания тела нужно каким-нибудь образом сообщить ему энергию и разогнать его частицы. Этот способ используется и в обычной газовой плите, в которой передача энергии происходит непосредственно при контакте нагретой поверхности с телом, и в микроволновой печке, в которой молекулы воды заставляют колебаться электромагнитные волны. Молекулы воды при этом остаются стабильны на протяжении всего процесса нагревания.

Однако существуют и другие способы быстро разогреть молекулы воды. Например, группа ученых под руководством Карла Калмана (Carl Caleman) предлагает использовать для этого мощный, но короткий импульс рентгеновского лазера на свободных электронах (X-ray Free-Electron Laser). При облучении подобным импульсом электроны оторвутся от своих молекул, межатомные связи разрушатся, вещество ионизируется, и между атомами возникнет сильная отталкивающая сила, которая будет эффективно их разгонять. В результате образец быстро нагреется до внушительной температуры, а жидкость превратится в плазму. При этом плотность ее практически не изменится, поскольку ионизированные молекулы не успеют заметно «разбежаться» за время облучения лазером.

Предложенный способ физики сразу же проверили на практике. Для этого они направили на небольшой объем воды лазерное излучение, рождающееся на линейном ускорителе в Национальной лаборатории SLAC (Linac Coherent Light Source). Энергия лазерного импульса достигала 6,86 килоэлектронвольт, средний поток его энергии превышал миллион джоулей на сантиметр квадратный, а продолжительность составляла в разных экспериментах 25 или 75 фемтосекунд (фемтосекунда = 10⁻¹⁵ секунд). После такого воздействия межатомные связи в молекуле воды разрушались, вещество сильно ионизировалось и разогревалось до температуры порядка 40 тысяч кельвинов (более короткий импульс) или 160 тысяч кельвинов (длинный импульс). При этом скорость ионов кислорода в образце достигала 2544 или 6266 метров в секунду в зависимости от длины импульса, тогда как скорость звука в воде в обычных условиях составляет всего 1500 метров в секунду. Это указывает на то, что вещество перешло в состояние плазмы. В то же время, объем жидкости в течение импульса измениться не успел, поэтому резко возросшая скорость столкновений ионов заставила давление в системе подняться до нескольких миллионов атмосфер. Таким образом, вода перешла в состояние теплого плотного вещества.

Кроме того, исследователи экспериментально измерили, как интенсивность рассеяния ионов зависит от величины импульса рассеяния и температуры вещества, а затем сравнили ее с данными численных расчетов с помощью методов молекулярной динамики. Оказалось, что при увеличении температуры пик рассеяния немного смещается в сторону меньших импульсов. Также ученые численно рассчитали распределение для расстояния между атомами кислорода в воде при комнатной температуре и температуре около 10 тысяч градусов, а также в ионизированной жидкости. Выяснилось, что при больших температурах это распределение размывается, причем в плазме его пик смещается в сторону меньших расстояний. В будущем ученые планируют более подробно изучить экзотическое состояние воды, в которую она переходит при таком быстром разогревании.

Благодаря большому числу водородных связей вода обладает рядом необычных свойств, которые тяжело поддаются теоретическому анализу. Например, физики до сих пор расходятся во мнениях, почему в диапазоне температур от нуля до четырех градусов вода сжимается при нагревании, вместо того чтобы расширяться. В частности, одна из конкурирующих теорий предполагает, что в жидкости образуются пустотелые многогранники — витриты, — которые деформируются при нагревании. В мае 2015 года британские физики разработали другую модель воды, в которой глобальные свойства жидкости выводятся из ее локального устройства, — по словам ученых, эта модель позволяет одинаково хорошо описывать поведение воды во всем диапазоне температур. Подробнее о необычных свойствах воды можно прочитать в нашем материале «Пять стихий: вода».

В октябре прошлого года ученые из Института прикладной физики РАН с помощью мощного фемтосекундного лазера нагрели поверхность алюминиевой фольги до температуры около трех миллионов градусов, сохраняя при этом ее плотность. Как и в новой работе, это позволило исследователям получить экзотическое состояние вещества, известное как теплое плотное вещество (warm dense matter), и исследовать его свойства.

Дмитрий Трунин