El termómetro más largo del mundo mide la temperatura de sustancias extremas.
Usamos termómetros para medir la temperatura corporal en la vida diaria. Cuando los científicos necesitan llevar materiales a temperaturas extremas (por ejemplo, para recrear las condiciones dentro de planetas, cápsulas de fusión o metales sometidos a tensión por láser), utilizan algo mucho más grande: un láser de rayos X de 3 kilómetros.
En el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en California, la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) produce destellos de rayos X ultrabrillantes y ultrarrápidos que pueden rastrear directamente el movimiento de los átomos. En este sentido, actúa como el termómetro más largo del mundo, un haz de rayos X que registra mediciones en el instante en que se crea un estado de la materia de corta duración y muy excitado.
Estos experimentos ocurren en escalas de tiempo que son difíciles de comprender. Un proceso que sería borroso a velocidades normales se resuelve aquí utilizando pulsos de rayos X de billonésimas de segundo, del orden de picosegundos. Dado que no se puede insertar ninguna sonda física en eventos tan breves, la propia luz puede actuar como un termómetro, convirtiendo efectivamente el LCLS en una especie de pistola de radar atómico.
¿Cómo medimos la temperatura de una billonésima de segundo?
La idea básica es fácil de explicar, aunque técnicamente es difícil de implementar. Primero, un láser de femtosegundo envía pulsos controlados de energía a una fina lámina de metal, lo que hace que sus átomos se muevan rápidamente. Luego, pulsos de rayos X sincronizados con precisión dispersan estos átomos y regresan con una pequeña extensión Doppler, un pequeño cambio de energía (o «color») causado por el movimiento de los átomos. Al medir su dispersión, inferimos la velocidad de los átomos y, a partir de esa velocidad, determinamos la temperatura. Esto permite mediciones directas in situ en el momento en que existen condiciones extremas. Al mismo tiempo, se puede registrar el patrón de difracción para asegurar que la red cristalina permanece intacta y se puede asignar la temperatura extraída al sólido en ese momento.
Dos aspectos son importantes. El primero es el momento. Debido a que el impulso de calentamiento y la sonda de rayos X están separados por sólo unas billonésimas de segundo, observan el sistema mientras aún está caliente, antes de que se haya enfriado o de que la estructura se haya relajado. El segundo es la precisión. La energía de los rayos X se mide con una resolución tan alta que se pueden resolver incluso pequeñas extensiones Doppler. El movimiento de los átomos está directamente codificado en la luz dispersada, eliminando la necesidad de confiar en suposiciones indirectas sobre lo que sucede dentro del material.
En términos sencillos, es «el termómetro más largo».
En pocas palabras, esto depende del efecto Doppler. A medida que la sirena se acerca a usted, su tono aumenta. El sonido disminuye a medida que te alejas. Los rayos X dispersados por átomos en vibración se comportan de manera similar, con pequeños cambios de frecuencia (o energía) en lugar de grandes cambios de tono. Los iones más calientes se mueven más rápido y producen un espectro más amplio, por lo que la anchura del desenfoque es una medida directa de su temperatura. Esto es exactamente lo que sucede en el experimento. Cuanto más caliente es el ion, más borroso se vuelve el espectro medido.
Sorpresa: un sólido que permanece sólido incluso a ~19.000 K
Utilizando este método de luz como termómetro, los investigadores empujaron el cristal de oro hacia una región que antes se consideraba improbable: alrededor de 19.000 Kelvin, aproximadamente 14 veces la temperatura de fusión de equilibrio del oro, dejando la red cristalina intacta¹.
Durante décadas, los modelos prevalecientes sugirieron que los sólidos no podían mantener la estabilidad muy por encima de aproximadamente tres veces su temperatura de fusión hasta que encontraron una «catástrofe entrópica» en la que las vibraciones alteraron la red y rápidamente perdieron el orden cristalino. Los nuevos resultados muestran que si el calentamiento es lo suficientemente rápido, el material puede evitar temporalmente este colapso durante breves intervalos sondeados por pulsos de rayos X.
Un factor importante es la tasa de almacenamiento de energía. Los cristales se calientan tan rápidamente que no tienen tiempo de expandirse, fluir o descomponerse estructuralmente. El orden cristalino persiste durante períodos de tiempo muy cortos en condiciones que la teoría del equilibrio simple descarta, lo que proporciona una nueva comprensión de cómo comienza la fusión cuando los materiales están lejos del equilibrio.
El sólido sobrecalentado existe sólo temporalmente, pero es suficiente. Esta medición proporciona una instantánea bien definida del sistema a temperaturas extremas y confirma que la temperatura se puede medir directamente en estado todavía sólido durante este corto período de tiempo.
¿Por qué es esto importante?
Los materiales de alta densidad de energía (HED) existen entre los sólidos familiares y los plasmas totalmente ionizados. Los ejemplos incluyen el núcleo de un planeta, el metal comprimido por impacto y el combustible de fusión en proceso de ignición. Aunque la presión y la densidad están razonablemente limitadas en muchos de estos sistemas, históricamente ha sido mucho más difícil medir directamente la temperatura.
La dispersión medida de los rayos X dispersos permite el diagnóstico de temperatura directamente a partir del movimiento atómico. Esto reduce la dependencia de modelos indirectos y permite pruebas más rigurosas de cómo fluye el calor, cómo los electrones y los iones intercambian energía y cómo los cristales se acercan a la fusión bajo impulsos extremos.
En estos experimentos se utilizó el «termómetro más largo del mundo». Crédito: Servicio Geológico de EE. UU./Departamento del Interior/USGS
Utilizando láseres de rayos X de alta repetición, se puede utilizar el mismo enfoque para mapear temperaturas durante la compresión de choque o en experimentos de fusión donde la temperatura de los iones es un parámetro clave. Los datos resultantes se pueden utilizar para obtener mediciones cuantitativas que sirvan de referencia y refinen nuestra comprensión de la materia con altas densidades de energía. Juntas, estas características convierten a los estados HED de corta duración en bancos de pruebas cuantitativos para teorías de la materia lejos del equilibrio.
Hitos y líneas de salida
Esta investigación dio como resultado dos hitos simultáneos. Primero, es la primera vez que medimos directamente las temperaturas atómicas de estos sólidos extremos in situ, y segundo, hasta donde sabemos, son los materiales cristalinos más calientes jamás registrados. También desafiaron las expectativas arraigadas sobre hasta qué punto puede producirse un sobrecalentamiento antes de que un cristal pierda su orden.
Más importante aún, ha surgido un nuevo conjunto de preguntas que pueden abordarse mediante mediciones directas.
¿Cómo fallan realmente los cristales bajo este tipo de impulso? ¿Los defectos se disuelven o colapsan de manera más uniforme? ¿A qué velocidad se transfiere calor entre electrones e iones cuando están lejos del equilibrio? ¿Qué materiales permanecen ordenados por más tiempo en unidades de velocidad ultraalta? ¿Podemos aprovechar su resiliencia en nuestras aplicaciones?
Este método en sí es ampliamente aplicable. Se basa en pulsos de rayos X potentes y bien caracterizados y espectrómetros de alta resolución, ingredientes disponibles en varios láseres de electrones libres de rayos X en todo el mundo. Como resultado, el mismo diagnóstico de temperatura se puede aplicar a muchos experimentos que investigan la fusión, el transporte de calor y la estabilidad de materiales en condiciones extremas.
La ciencia de alta densidad de energía, en términos más generales, trata de crear, controlar y diagnosticar estados de la materia a los que es difícil o imposible acceder en entornos normales. Los láseres gigantes crean choques similares a explosiones astrofísicas, yunques de diamantes comprimen la materia a presiones planetarias y los láseres de rayos X permiten rastrear el movimiento de los átomos en tiempo real. Este trabajo añade un termómetro cuantitativo a ese conjunto de herramientas. Esto demuestra que es posible confirmar la estructura de sólidos ultrarrápidos que están lejos del equilibrio y al mismo tiempo medir directamente la temperatura.
En el camino, el equipo también estableció un punto de referencia práctico sobre cómo se puede impulsar un sólido cristalino a altas temperaturas manteniendo el orden. Este registro en sí es secundario, pero muestra lo que es posible actualmente. Ahora se pueden trasladar materiales a condiciones que antes se pensaban fuera de alcance, y sus respuestas se pueden medir con precisión. De esta manera, el campo avanza al convertir regímenes cada vez más extremos en experimentos cuidadosamente caracterizados.
Referencias
G. White et al., “Sobrecalentamiento del oro más allá del umbral de catástrofe entrópica prevista”, Nature 643, 950–954 (2025)
Este artículo también se publicará en el número 25 de la revista trimestral.
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