Ο χρυσός δεν είναι απλώς σύμβολο πλούτου ή πρώτη ύλη για ηλεκτρονικά εξαρτήματα υψηλής αξιοπιστίας. Είναι και ένα από τα πιο πολύτιμα εργαλεία της σύγχρονης φυσικής υψηλών πιέσεων. Κι όμως, μέχρι σήμερα, ακόμη και αυτό το «ιδανικό» υλικό έκρυβε πτυχές της συμπεριφοράς του που παρέμεναν αβέβαιες.
Ένα νέο σύνολο πειραμάτων από το Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) έρχεται να αλλάξει τα δεδομένα. Με τη βοήθεια laser ακραίας ισχύος και υπερταχέων ακτίνων Χ, διεθνής ομάδα ερευνητών παρατήρησε με πρωτοφανή ακρίβεια πώς το πολύτιμο μέταλλο παραμορφώνεται όταν υποβάλλεται σε πιέσεις περίπου δέκα εκατομμυρίων φορές μεγαλύτερες από αυτή της γήινης ατμόσφαιρας.
Το αποτέλεσμα δεν είναι απλώς μία ακόμη περιγραφή της συμπεριφοράς ενός υλικού σε ακραίες συνθήκες. Για την επιστημονική κοινότητα, αποτελεί θεμέλιο για εκατοντάδες μελλοντικά πειράματα. Ο χρυσός χρησιμοποιείται εδώ και δεκαετίες ως υλικό αναφοράς στην έρευνα υπερπιεσμένων υλικών· όταν όμως δεν γνωρίζεις με απόλυτη ακρίβεια πώς συμπεριφέρεται ο ίδιος ο «κανόνας μέτρησης», τότε επηρεάζεται ολόκληρο το οικοδόμημα της πειραματικής φυσικής που στηρίζεται πάνω του.
Για να φτάσουν σε αυτές τις μετρήσεις, οι ερευνητές αξιοποίησαν δύο από τα πιο προηγμένα εργαστηριακά συστήματα της εποχής: το National Ignition Facility και το OMEGA EP. Εκεί, εξαιρετικά διαμορφωμένοι παλμοί laser συμπίεσαν μικροσκοπικά δείγματα χρυσού σε χρόνους τόσο σύντομους που οι συνθήκες θυμίζουν στιγμιαίο «κατάρρευση» του υλικού. Η διαδικασία δημιουργεί τεράστια πίεση, αλλά χωρίς να ανεβάζει τη θερμοκρασία σε επίπεδα που θα έλιωναν το μέταλλο. Και αυτή η λεπτομέρεια είναι κρίσιμη, γιατί επιτρέπει στους επιστήμονες να μελετήσουν τον χρυσό σε στερεά μορφή ακόμη και σε συνθήκες παρόμοιες με το εσωτερικό ενός γίγαντα αερίου, όπως ο Δίας.
Αμέσως μετά τη συμπίεση, παλμοί ακτίνων Χ καταγράφουν την κρυσταλλική δομή του υλικού, αποτυπώνοντας εικόνες μέσα σε ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Πρόκειται για τεχνική που μόλις τα τελευταία χρόνια έχει γίνει πραγματικά αξιοποιήσιμη, όπως σημειώνει και η Amy Coleman από το LLNL. Χάρη σε αυτή, οι επιστήμονες μπορούν επιτέλους να δουν με βεβαιότητα τι συμβαίνει στους ατομικούς δεσμούς του χρυσού όταν βρίσκεται σε πιέσεις που προηγουμένως μπορούσαν μόνο να προσομοιώσουν υπολογιστικά.
Σε κανονικές συνθήκες, ο χρυσός έχει μια πολύ σταθερή κρυσταλλική δομή, γνωστή ως κυβική εδροκεντρωμένη (FCC). Παρόλο που αυτό ήταν κοινή γνώση, θεωρητικά μοντέλα υποδείκνυαν ότι σε ακραίες πιέσεις η δομή αυτή μπορεί να αλλάζει, ίσως ακόμη και να μεταπηδά σε εντελώς διαφορετική γεωμετρία. Το πρόβλημα; Τα μοντέλα δεν συμφωνούσαν μεταξύ τους για το πότε και πώς συμβαίνει αυτή η μετάβαση.
Τα νέα πειράματα λύνουν το μυστήριο. Η δημοσίευση στο Physical Review Letters δείχνει ότι η FCC δομή αντέχει πολύ περισσότερο από όσο θεωρούσαν οι προσομοιώσεις. Παραμένει σταθερή μέχρι πιέσεις σχεδόν διπλάσιες από αυτές που επικρατούν στον πυρήνα της Γης. Μόνο όταν ξεπεραστεί αυτό το όριο αρχίζει να εμφανίζεται μια δεύτερη δομή, κυβική χωροκεντρωμένη (BCC). Και μάλιστα, η μετάβαση δεν είναι απότομη. Οι δύο δομές συνυπάρχουν στο ίδιο δείγμα, κάτι που αποκαλύπτει ότι ο χρυσός περνά από μια περιοχή όπου η αλλαγή φάσης είναι πιο σύνθετη από ό,τι θεωρούσαν μέχρι σήμερα.
Αυτή η συνύπαρξη υποδεικνύει επίσης ότι η θερμοκρασία παίζει σημαντικότερο ρόλο απ’ όσο πίστευαν. Μικρές μεταβολές, σχεδόν αμελητέες σε κανονικά πειράματα, μπορούν σε αυτές τις πιέσεις να μετατοπίσουν τα όρια στα οποία η μία δομή δίνει τη θέση της στην άλλη. Με άλλα λόγια, τα δεδομένα υπογραμμίζουν την ανάγκη για ακόμη ακριβέστερες μετρήσεις θερμοκρασίας, ειδικά σε πειράματα που χρησιμοποιούν τον χρυσό ως πρότυπο συμπεριφοράς.
Η σημασία των αποτελεσμάτων εκτείνεται πολύ πέρα από το ίδιο το υλικό. Σπουδές για το εσωτερικό των εξωπλανητών, έρευνες για την ύλη σε εξαιρετικά πυκνή μορφή, ακόμη και εφαρμογές στη μελλοντική πυρηνική σύντηξη βασίζονται σε υλικά αναφοράς υψηλής προβλεψιμότητας. Αν ο χρυσός παρουσιάζει συμπεριφορές που δεν είχαν μέχρι τώρα επιβεβαιωθεί, τότε η διόρθωση των δεδομένων προς την πραγματική φυσική είναι απαραίτητη.
