傅俊安

將黃金加熱到快19000℃竟還是固體？近日，來自美國內華達大學雷諾分校的研究人員在超快加熱條件下進行了極限實驗測試，并通過高分辨率非彈性X射線散射直接追蹤到了晶格溫度。

圖|實驗裝置（來源：Nature）

他們將金樣品加熱到超過其熔點14倍的溫度，同時仍保持其晶體結構，這一溫度遠高于預測的閾值，這表明過熱現(xiàn)象可能存在著高得多的極限，甚至可能沒有極限。研究人員指出，樣品在如此短暫的時間尺度下無法膨脹，這一點與先前的估算存在重要差異。這些實驗結果為理解極端條件下的熔化動力學提供了見解。

（來源：https://www.thomasgwhite.com/#team-2）

據(jù)了解，隨著短脈沖激光技術的發(fā)展，使得超加熱過程中的中間失穩(wěn)現(xiàn)象能夠得到有效規(guī)避，進而使得實驗可以逼近熵災變閾值。這讓人們得以通過采用超過101?開爾文/秒的加熱速率進行實驗，并能實現(xiàn)在T≈1.4T?–2.1T?范圍內的過熱（其中T?為熔化溫度），這一溫度接近、但是并未完全達到預期的極限。

盡管加熱速率技術已取得進展，不過仍然缺乏一種直接且不依賴模型的方法來精確測量高溫、固體密度體系中的離子溫度，而這已經成為制約人們針對過熱現(xiàn)象做出精確可靠結論的主要障礙。此前，人們往往通過分析材料結構或能量吸收來間接測量離子溫度。為了應對這一挑戰(zhàn)，本次研究人員采用反向散射區(qū)域的非彈性X射線散射技術來直接測定離子速度分布，進而獲取了離子溫度。

通過此，他們發(fā)現(xiàn)經過短脈沖激光照射的金材料明確達到了超過101?開爾文/秒的加熱速率，這促使離子溫度升至金材料熔點的大約14倍（T≈14T?）之高，同時金材料并沒有喪失其固體結構。這一測量結果不僅超越了先前預測的熵災變界限，還表明固體過熱的閾值可能遠高于此前預期，從而改寫了人們對極端條件下固相穩(wěn)定性的認知。這一突破性進展對高壓與高能量密度研究具有變革性意義，它攻克了該領域長期存在的溫度精準測定難題，而溫度測量的不精確性正是此類研究的傳統(tǒng)短板。日前，相關論文發(fā)表于Nature[1]。

測量晶格溫度

研究中，研究人員利用高分辨率非彈性X射線散射，精確測量了經過強激光加熱之后的金樣品中的離子溫度。在這些條件下，光子從離子上散射時會發(fā)生類似于多普勒頻移的能量偏移，這使得研究人員能夠通過入射X射線產生的光譜展寬來確定速度分布，進而確定溫度。

晶體中聲子模式的散射是一種成熟的技術。在多晶體中，該技術可以提供聲子態(tài)密度的相關信息。在研究人員的背散射幾何構型中，光譜特征轉變?yōu)楦咚狗植?，這種轉變行為出現(xiàn)在高動量轉移和溫度遠高于德拜溫度時的多聲子作用極限條件下。需要說明的是，德拜溫度是固體物理中一個重要的特征溫度。

此外，金材料中聲子-聲子平衡速率比電子-聲子平衡速率高出一個數(shù)量級，這使得研究人員可以為聲子系統(tǒng)確定單一溫度值（Ti）。因此，該高斯分布的半峰全寬（FWHM，full-widthathalf-maximum）為ΔE?????，它由離子的平均速度決定溫度。這一關系的方程公式如下：

（來源：Nature）

其中，m?為離子質量，c為光速，kB為玻爾茲曼常數(shù)，E?為X射線能量。需要特別指出的是，這一分布形式與具有麥克斯韋-玻爾茲曼分布的經典氣體完全吻合，并且既不依賴于原子間勢能，也與聲子態(tài)密度無關。

根據(jù)上述方程，散射光子的能量偏移量極?。寒斀鹛幱?000開爾文的溫度之下，其譜線展寬預計僅為約25毫電子伏特。此外，當加熱速率超過101?開爾文/秒時，金樣品的壽命通常非常短暫。因此，要想測量由離子運動引起的展寬，需要將高亮度X射線源與高分辨率光譜儀相結合。

依托美國SLAC國家加速器實驗室（StanfordLinearAcceleratorCenterNationalAcceleratorLaboratory）運營的直線加速器相干光源（LCLS，LinacCoherentLightSource）的極端條件物質（MEC，MatterinExtremeConditions）儀器于近期取得的進展，以及依托于歐洲同步輻射裝置研發(fā)的光譜儀技術，使得研究人員得以在實驗中實現(xiàn)大約50毫電子伏特的儀器函數(shù)和40飛秒時長的X射線探測。

實驗中，研究人員使用一個50納米厚的多晶金樣品，然后將該樣品固定在鎳網(wǎng)格上，由極端條件物質（MEC，MatterinExtremeConditions）儀器發(fā)出的45飛秒、400納米波長的短脈沖激光進行照射。激光聚焦到半徑約100微米的光斑上，產生的能量密度范圍為1.9焦耳/平方厘米到4.9焦耳/平方厘米之間。

然后，他們通過真空室外部的一臺經過校準的相機記錄了每次發(fā)射時的激光注量。直線加速器相干光源產生的X射線束光子能量為7,491.9電子伏特，該光束通過四面反射通道切割式Si（533）單色器進行單色化處理，單色器的布拉格角設定為87.5°。X射線光束被聚焦至5微米半峰全寬，并與光學光束中心對準。

散射光子通過三個球面彎曲的Si（533）切割晶體分析器進行探測，這些分析器的擺放位置可覆蓋167°至173°的散射角，布拉格反射由X射線像素陣列探測器Epix-100a進行記錄。分析器和探測器則被安裝在一個直徑為1米的羅蘭圓上。（注：羅蘭圓（Rowlandcircle）是光譜學中的核心聚焦構型，其命名源自美國物理學家亨利·奧古斯塔斯·羅蘭（HenryAugustusRowland））。

另外，研究人員使用一臺Epix10k探測器捕捉到了20°至60°范圍內的廣角X射線散射，從而能夠針對金的（111）和（200）晶面進行勞厄衍射分析。需要說明的是，勞厄衍射分析是一種用于單晶結構研究的X射線衍射技術。實驗過程中，研究人員將光學加熱器與X射線探針之間的時序從-1皮秒動態(tài)調整至6皮秒（約為樣品的熔化時間），并利用極端條件物質（MEC，MatterinExtremeConditions）儀器來測量X射線激光與光學激光之間的單次發(fā)射延遲。

每次發(fā)射的光子計數(shù)較低，這時就需要采用單光子計數(shù)技術，即利用分析器的色散曲線將每個探測到的光子轉換為能量。隨后，研究人員將多次實驗所得數(shù)據(jù)進行匯總，以便構建完整的光譜剖面。儀器函數(shù)通過室溫金靶的散射來確定，所得數(shù)據(jù)如下圖所示。

（來源：Nature）

上述光譜由749次發(fā)射積累的7486個光子生成。由于金的（422）衍射峰與分析器相重合，所得光譜主要反映彈性零聲子線，因此能夠作為儀器函數(shù)的可靠表征。在這種情況之下，實驗測得的光譜與沃伊特線型高度吻合，其中通過最大似然估計法確定的參數(shù)γ和σ分別定義了洛倫茲分量與高斯分量的寬度。

需要說明的是，洛倫茲分量是X射線或中子衍射分析中用于描述衍射強度修正的物理量，高斯分量通常指服從高斯分布的信號成分，沃伊特線型是光譜學與衍射分析中的核心線型函數(shù)。

研究人員表示，44.7毫電子伏特的半峰全寬與先前測得的寬度一致，并且接近理論極限。同時，其還指出通過激光針對靶材進行加熱，會導致離子速度增加，進而引起譜線的多普勒展寬。與室溫實驗不同的是，每個光學激光脈沖產生的強熱會破壞靶材，因此每次測量都需要使用新的金樣品。這拖慢了數(shù)據(jù)采集的過程，再加之時間和靶材的限制，使得可實現(xiàn)的激光脈沖次數(shù)受到制約。

觀測結果顯示，從大約60次激光脈沖中檢測到的300個光子足以生成合理的能譜及其相關誤差估計。加熱后的金的光譜呈現(xiàn)出明顯的展寬。通過最大似然估計法對這一展寬效應進行定量分析，就能基于上述公式計算出溫度。期間，研究人員通過使用嚴格的自助法（bootstrap）獲得了展寬的置信區(qū)間，進而得到了溫度估計的置信區(qū)間。

通過上述結果，他們還直接測量了高密度下高溫條件中的離子溫度。而在此前，人們僅能采用間接測量的方法。另據(jù)悉，本次公式中譜線展寬與溫度的直接關聯(lián)性，得益于實驗中采用的背散射幾何構型和極端加熱速率所實現(xiàn)的大動量轉移與高溫條件。

晶格溫度演變

據(jù)介紹，研究人員通過精確調控光學泵浦激光與X射線探針之間的時間延遲，首次實現(xiàn)了金材料在激光輻照后離子溫度演化過程的直接測量。光泵浦產生彈道電子，這些電子在亞皮秒時間尺度上對熱電子進行體積加熱。

鑒于熱電子具有高導熱性且擴散時間尺度為亞皮秒，電子加熱過程中出現(xiàn)的任何不均勻性都會通過熱電子的熱傳導迅速消除。晶格快速升溫通過電子-聲子能量轉移實現(xiàn)，其中熱電子充當了熱庫的作用。而能量交換速率大致與溫差成正比，這意味著能量傳遞動力學可以通過激光注量進行近似控制。然而，這些信息并未用于本次研究，因為研究人員的方法能夠直接測量離子溫度，從而避開了計算電子-聲子能量交換的復雜性。

為了能在相同條件下進行多次實驗，研究人員仔細測量了所有相關的實驗參數(shù)，包括靶上激光注量以及X射線脈沖與光學脈沖之間的延遲時間?；诩す庾⒘?，所得數(shù)據(jù)被分為兩類，每類代表一種不同的加熱速率。低注量情形如下圖a所示，其注量范圍為1.9±0.5焦耳/平方厘米，對應的加熱速率約為3.5×101?開爾文/秒；高注量情形如下圖b所示，其注量范圍為4.9±0.5焦耳/平方厘米，能夠實現(xiàn)約為6×101?開爾文/秒的加熱速率。

（來源：Nature）

廣角X射線探測器經Dioptas軟件包處理后，清晰顯示出金樣品（111）與（200）晶面的德拜-謝樂衍射環(huán)，時間延遲可達3皮秒。（注：德拜-謝樂環(huán)，是X射線衍射分析中的核心現(xiàn)象。其命名源自荷裔美籍物理學家彼得·德拜（PeterDebye）和瑞士物理學家保羅·謝樂（PaulScherrer）。）

隨著樣品中的離子受熱升溫，它們在平衡位置附近的振動幅度逐漸增大。根據(jù)德拜-瓦勒理論預測，這種熱振動會導致衍射環(huán)強度減弱，并且（200）晶面的衍射峰衰減速度明顯快于（111）晶面。熔化時，樣品失去長程有序性，導致德拜-謝樂環(huán)完全消失。實驗中，研究人員根據(jù)這種可見的結構消失確定了熔化時間。

在3.5×101?開爾文/秒的加熱速率下，能夠將金加熱到13,800±3,200開爾文的溫度，這大約相當于10倍的熔點（10T?）。在6×101?開爾文/秒的更高加熱速率下，樣品被加熱到19,000±4,000開爾文的溫度，這大約相當于其熔點的14倍（14T?）。值得注意的是，在這兩種情況下，溫度都超過了3倍熔點（3T?）的理論限值，并且持續(xù)時間超過2皮秒。這一時間長度大約比特征聲子振蕩周期長一個數(shù)量級，因此遠遠長于均勻熔化所需的時間。

自由電子激光是關鍵

需要說明的是，在本次實驗所研究的范圍內，固體的熱容由普適常數(shù)決定，而液體熱容的一般形式仍未得到充分表征。因此，目前尚不清楚固體和液體的熵是否會在更高溫度下相交。

此外，非平衡系統(tǒng)和薄膜中的熱容變化可能會進一步改變熵平衡。所以，目前尚不確定那些基于熵曲線交叉點（類似于低溫下的考茲曼極限）的論點是否適用于此。然而，研究人員的實驗清楚地表明，只要對材料的加熱速度足夠快，就能夠遠遠突破此前提出的過熱極限。

清華大學物理學博士廉超在社交媒體上表示：“我認為這個工作的關鍵是：自由電子激光。美國投入數(shù)十億美元升級的SLAC+自由電子激光裝置，產生光子能量7500eV（電子伏特）、展寬只有0.5eV（電子伏特）的X光。目前看起來時間分辨率是皮秒級，但應該仍然是世界頂級的（工作）。[2]”

參考資料：

1.https://www.nature.com/articles/s41586-025-09253-y

2.https://www.zhihu.com/question/1932213499309843001/answer/1932880290507907964

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