Kuinka mitata sähköä aineessa, jonka lämpötila on 10 000 kelviniä? Kokeile korvata johdot valolla. Tähtien, jättiläisplaneettojen ja jopa Maan ytimen syvyyksissä aine on epätavallisessa tilassa, joka ei sovi tavallisiin luokkiin. Se ei ole enää kiinteä aine, mutta ei vielä täysin plasmaa. Fyysikot kutsuvat tätä muotoa lämpimäksi tiheäksi aineeksi, ja juuri se määrittää suurelta osin, miten planeetat muodostavat magneettikenttiä ja miten termoydinsynteesiprosessit etenevät.
Paradoksi on, että tämä tila on erittäin yleinen maailmankaikkeudessa, mutta sitä on lähes mahdotonta tutkia kokeellisesti. Lämpötilat nousevat siellä useisiin tuhansiin kelvineihin – yli auringon pinnan lämpötilan, joka on noin 5800 K. Mikään sondi tai kosketusanturi ei yksinkertaisesti selviä tällaisissa olosuhteissa. Tämän seurauksena tutkijat joutuivat vuosikymmenien ajan turvautumaan epäsuoriin arvioihin ja laskennallisiin malleihin, joita on vaikea tarkistaa suoraan.
Lähes kymmenen vuoden työn jälkeen tutkijaryhmä onnistui kiertämään tämän rajoituksen. He mittasivat ensimmäistä kertaa suoraan yhden lämpimän tiheän aineen avainominaisuuksista – sähkönjohtavuuden – ilman fyysistä kosketusta näytteeseen. Uusi lähestymistapa avasi tien kokeelliseen tutkimukseen ympäristöistä, joita aiemmin pidettiin saavuttamattomina.
Klassiset menetelmät edellyttävät johtojen tai anturien kytkemistä, mutta tuhansien kelvinien lämpötiloissa tällainen lähestymistapa lakkaa toimimasta välittömästi. Juuri siksi monet käsitykset aineen käyttäytymisestä äärimmäisissä olosuhteissa ovat jääneet hypoteeseiksi.
Tutkimuksen tekijät päättivät poistaa tarpeen kosketukseen. Fyysisten anturien sijaan he käyttivät sähkömagneettista säteilyä. Kokeen kohteeksi valittiin alumiinikalvo. Se säteilytettiin tehokkaalla laserilla, joka lämmitti sen sekunnin murto-osassa noin 10 000 K:n lämpötilaan – lähes kaksinkertaiseen auringon pinnan lämpötilaan verrattuna. Tällöin alumiini muuttui lämpimäksi tiheäksi aineeksi.
Seuraava vaihe oli ratkaiseva. Kuumennettuun näytteeseen kohdistettiin terahertsi-säteilyä, joka on erittäin lyhytaaltoinen sähkömagneettisten aaltojen alue mikroaaltojen ja infrapunasäteilyn välillä. Tällainen säteily loi alumiinin sisään sähkökentän koskettamatta materiaalia suoraan. Mittaamalla aineen reaktion kenttään tutkijat pystyivät laskemaan sen sähkönjohtavuuden tarkasti. Yhden tutkimuksen johtajan, Siegfried Glentzerin, mukaan tämä menetelmä antaa tällä hetkellä tarkimman arvion lämpimän tiheän aineen sähkönjohtavuudesta kaikista olemassa olevista menetelmistä.
Tulokset eivät olleet odotusten mukaisia. Alumiinin kuumentuessa sen kyky johtaa sähkövirtaa heikkeni jyrkästi – ja tämä tapahtui kahdesti. Ensimmäinen lasku oli ennustettavissa: se tapahtui samanaikaisesti siirtymän kanssa tavallisesta metallisesta tilasta lämpimään tiheään aineeseen. Toinen lasku oli yllätys. Aiemmin sitä ei ollut onnistuttu havaitsemaan selvästi missään kokeessa.
Ymmärtääkseen syyn, tiimi turvautui toiseen instrumenttiin – ultranopeaan elektronidiffraktiokokeeseen Yhdysvaltain energiaministeriön alaisessa SLAC-kiihdytinlaboratoriossa. Näiden mittausten aikana näytteeseen johdettiin korkeaenergisiä elektroneja ja mitattiin niiden hajaantumista. Tällä menetelmällä voidaan nähdä atomien sijainti noin yhden biljoonasosan sekunnin aikaresoluutiolla. Saatujen kuvien perusteella toinen jyrkkä johtokyvyn lasku tapahtuu samanaikaisesti kuin alumiinin atomirakenne menettää järjestyksensä ja muuttuu kaoottiseksi.
Uusi kontaktiton menetelmä ratkaisee paitsi teknisen ongelman, myös antaa fyysikoille luotettavan työkalun aineen mallien testaamiseen ja tarkentamiseen äärimmäisissä olosuhteissa. Tällaiset mallit ovat perustana ymmärryksellemme tähtien, planeettojen ja termoydinsynteesilaitteistoissa tapahtuvien prosessien sisäisestä rakenteesta.
Tulevaisuudessa tämä voi auttaa selittämään paremmin maapallon magneettikentän alkuperää ja parantamaan laskelmien tarkkuutta hallitun termisen fuusion kokeissa, joissa materiaalit altistuvat samanlaisille lämpötila- ja energiakuormituksille.
Lähestymistavalla on vielä rajoituksia. Tällä hetkellä menetelmä on demonstroitu vain alumiinilla, joka on suhteellisen yksinkertainen metalli, jonka ominaisuudet tunnetaan hyvin. Tutkijat suunnittelevat kuitenkin jo kokeiden laajentamista. Erityisesti tiimi aikoo jatkossa suorittaa vastaavia mittauksia monimutkaisemmille materiaaleille, mukaan lukien rauta, joka on yksi maapallon ytimen avainkomponenteista. Tämä mahdollistaa laboratorion mallinnuksen olosuhteista, jotka aiemmin olivat olemassa vain teoreettisissa kuvauksissa.
Pitkään lämmin tiheä aine oli eräänlainen fysiikan ”sokea alue”: tutkijat tiesivät sen olemassaolosta, mutta eivät voineet havaita sitä suoraan. Nyt, kun valo on tullut tarkaksi ja luotettavaksi mittalaitteeksi, tämä raja on alkanut hävitä – ja universumin äärimmäisimmät alueet ovat ensimmäistä kertaa tutkittavissa.
