固体材料が加熱されると、その原子はエネルギーの増加とともに振動し始めます。融点と呼ばれる特定の温度では、振動は非常に強烈になり、原子は固定位置から解放され、材料は液体状態に移行します。ただし、この移行中に発生するイベントの正確なシーケンスは、主に非常に短いタイムスケールが関与しているため、とらえどころのないままです。
この課題を克服するために、ドイツのハンブルク大学のジョン・ボタ教授が率いる研究者は、X線光子相関分光法（XPCS）と呼ばれる高度なX線技術を採用しました。超高速X線パルスを生成し、散乱したX線を分析することにより、突然の温度ジャンプを受けている固体銅サンプルの一時的な構造変化を調べることができました。
彼らの調査結果は、超高速タイムスケールで展開する驚くべき一連のイベントを示しています。融解の初期段階には、固体銅内の液滴の核形成が含まれます。これらの液滴は急速に成長し、合体し、材料全体が液体状態に変わるまで結晶の秩序を徐々に侵食します。
興味深いことに、XPCS技術は、バルク材料の位相遷移をキャプチャするだけでなく、固体界面近くの動作に関する重要な情報を明らかにします。これらのインターフェイスは、固体と液体のような特性の両方を示すユニークなダイナミクスを示します。これらの界面効果を理解することは、現象の融解から結晶の成長に至るまで、物理学や材料科学のさまざまな分野への洞察を得るために不可欠です。
基礎科学への影響を超えて、この研究は、材料の加工、冶金、さらには生物学などの分野に幅広い影響を及ぼします。たとえば、材料の融解と固化を含む製造プロセスでは、位相遷移の速度を制御することが重要です。基礎となるダイナミクスを解明することにより、カスタマイズされた特性を備えた改善された材料を開発し、潜在的に革新的な産業を開発することでブレークスルーを達成できます。
さらに、Botha教授が示唆するように、相転移を研究することは、凝縮された物質物理学を超えて現象に光を当てることもできます。細胞などの複雑なシステムで観察されるガラス遷移や生物学的相転移などの現象は、これらの基本的な融解ダイナミクスと類似性を共有する可能性があります。相転移を理解するための探求は、銅の固形液体遷移をはるかに超えて到達し、科学的スペクトル全体の画期的な啓示の手段を開いているようです。
