Wie heiß ist extrem? Forscher bauen das erste Atom-Thermometer

Wie heiß ist es im Inneren eines Sterns? Oder in dem Moment einer Fusionszündung? Physiker können viele Größen gut bestimmen - Druck, Dichte, Zusammensetzung. Doch bei extremen Temperaturen mussten sie bisher oft schätzen. Das ändert sich jetzt.

Wird es extrem, braucht es eine neue Art Thermometer

Temperatur zu messen, gehört zu den grundlegendsten Aufgaben in der Physik - und wirkt auf den ersten Blick längst gelöst. Doch je extremer die Bedingungen, desto größer wird das Problem: In bestimmten Bereichen der Hochenergiephysik können Wissenschaftler zwar den Druck und die Dichte eines Materials gut bestimmen - nicht aber seine genaue Temperatur.

Das gilt vor allem für sogenannte "warm dense matter" - extrem heiße, extrem dichte Materie, wie sie etwa bei der Zündung von Fusionsbrennstoff oder im Inneren von Sternen entsteht. Solche Zustände existieren oft nur für wenige Billionstel Sekunden. Und in dieser Zeit versagen klassische Messmethoden: Thermometer sind zu träge, optische Verfahren zu ungenau, weil sie stark vom jeweiligen Materialzustand beeinflusst werden.


Bob Nagler vom SLAC National Accelerator Laboratory erklärt, dass die Temperaturen in solchen Experimenten bisher immer nur grobe Schätzungen mit riesigen Fehlerbalken seien - was die theoretische Arbeit massiv bremst. Eine verlässliche Temperaturmessung galt in diesem Bereich als ungelöstes Problem.

Nach fast zehn Jahren Entwicklungsarbeit hat das Team um Nagler nun eine Methode vorgestellt, mit der sich die Temperatur solcher Zustände erstmals direkt und präzise messen lässt. Und mit den ersten Messwerten bringt man gleich auch noch eine seit vier Jahrzehnten gültige Lehrmeinung der Physik ins Wanken, dass es für feste Materie bei extremer Hitze eine absolute Stabilitätsgrenze gibt.

Erstmals direkt am Atom

Entscheidend war ein direkterer Ansatz: Statt wie bisher auf Modellannahmen zu setzen, beobachteten die Forscher am SLAC in Menlo Park, Kalifornien, die Geschwindigkeit, mit der sich die Atome im Material bewegten. Denn je schneller ein Atom vibriert, desto heißer ist es. Dieses physikalische Prinzip ist nicht neu, ließ sich bisher aber nicht in solchen extremen Zuständen anwenden.

Das Team um Nagler und Tom White machte es möglich: mit exakt abgestimmten getakteten Laser- und Röntgenimpulsen. Eine hauchdünne Goldschicht wird zunächst mit einem ultrakurzen Laserstoß schlagartig erhitzt. Anschließend durchleuchtet ein präzise getimter Röntgenpuls das Material. Beim Streuen an den vibrierenden Atomen verschiebt sich die Frequenz des Lichts - ein Effekt, der direkt die Bewegungsgeschwindigkeit und damit die Temperatur offenbart. White erklärt, dass es bislang schlicht unmöglich war, die atomaren Schwingungen in solchen extremen Zuständen direkt zu beobachten.

Technischer Aufbau des Experiments (für Nerds)
Und dieser Messwert hatte es in sich: Die Goldschicht erreichte mehr als 19.000 Kelvin - das 14-Fache ihres Schmelzpunkts. Nach gängiger Theorie hätte das Material längst schmelzen oder sogar verdampfen müssen. Denn wenn ein Stoff weit über seine normalen Phasengrenzen hinaus erhitzt wird, droht eine sogenannte "Entropiekatastrophe": ein plötzlicher, unkontrollierbarer Zusammenbruch der Struktur, ausgelöst durch minimale Störungen. Doch genau das passierte nicht. Der Goldfilm blieb fest.

Die Erklärung: Offenbar war die extreme Geschwindigkeit der Erwärmung entscheidend. Innerhalb weniger Pikosekunden blieb keine Zeit für einen Phasenübergang, so die Forscher. Deshalb habe man nicht "gegen die Physik verstoßen", so White - sondern gezeigt, dass sich solche Strukturzusammenbrüche umgehen lassen, wenn es nur schnell genug geht.

Wichtiges Werkzeug

Was nach reiner Grundlagenforschung klingt, hat konkrete Bedeutung: In der Fusionsforschung oder der Sternphysik werden genau solche Zustände gezielt erzeugt. Wer ihre Temperatur exakt kennt, kann Materialien und Reaktoren präziser planen - und Prozesse steuern, die bisher kaum beherrschbar waren.

"Forscher, die "warm dense matter" untersuchen, haben diese Grenze vermutlich schon seit Jahren überschritten - ohne es zu wissen, weil es keine zuverlässige Methode zur direkten Temperaturmessung gab", sagt Nagler. Jetzt lässt sich das nachholen - mit einem neuen Werkzeug, das hilft, Materie in ihren extremen Zuständen zu verstehen. Die Studie wurde in Nature veröffentlicht.


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