將黃金加熱到快19000℃竟還是固體？近日，來自美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)雷諾分校的研究人員在超快加熱條件下進(jìn)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(jié)構(gòu)，這一溫度遠(yuǎn)高于預(yù)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(jié)果為理解極端條件下的熔化動力學(xué)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(shù)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(jìn)而使得實驗可以逼近熵災(zāi)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(jìn)行實驗，并能實現(xiàn)在T≈1.4T?–2.1T?范圍內(nèi)的過熱（其中T?為熔化溫度），這一溫度接近、但是并未完全達(dá)到預(yù)期的極限。
盡管加熱速率技術(shù)已取得進(jìn)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(jīng)成為制約人們針對過熱現(xiàn)象做出精確可靠結(jié)論的主要障礙。此前，人們往往通過分析材料結(jié)構(gòu)或能量吸收來間接測量離子溫度。為了應(yīng)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(shù)來直接測定離子速度分布，進(jìn)而獲取了離子溫度。
通過此，他們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過短脈沖激光照射的金材料明確達(dá)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(jié)構(gòu)。這一測量結(jié)果不僅超越了先前預(yù)測的熵災(zāi)變界限，還表明固體過熱的閾值可能遠(yuǎn)高于此前預(yù)期，從而改寫了人們對極端條件下固相穩(wěn)定性的認(rèn)知。這一突破性進(jìn)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(lǐng)域長期存在的溫度精準(zhǔn)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(guān)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(jīng)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(chǎn)生的光譜展寬來確定速度分布，進(jìn)而確定溫度。
晶體中聲子模式的散射是一種成熟的技術(shù)。在多晶體中，該技術(shù)可以提供聲子態(tài)密度的相關(guān)信息。在研究人員的背散射幾何構(gòu)型中，光譜特征轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚狗植?，這種轉(zhuǎn)變行為出現(xiàn)在高動量轉(zhuǎn)移和溫度遠(yuǎn)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(guān)系的方程公式如下：
（來源：Nature）
其中，m?為離子質(zhì)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(jīng)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(guān)。
根據(jù)上述方程，散射光子的能量偏移量極?。寒?dāng)金處于1000開爾文的溫度之下，其譜線展寬預(yù)計僅為約25毫電子伏特。此外，當(dāng)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(jié)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(zhì)（MEC，MatterinExtremeConditions）儀器于近期取得的進(jìn)展，以及依托于歐洲同步輻射裝置研發(fā)的光譜儀技術(shù)，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(zhì)（MEC，MatterinExtremeConditions）儀器發(fā)出的45飛秒、400納米波長的短脈沖激光進(jìn)行照射。激光聚焦到半徑約100微米的光斑上，產(chǎn)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(jīng)過校準(zhǔn)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(chǎn)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(jìn)行單色化處理，單色器的布拉格角設(shè)定為87.5°。X射線光束被聚焦至5微米半峰全寬，并與光學(xué)光束中心對準(zhǔn)。
散射光子通過三個球面彎曲的Si（533）切割晶體分析器進(jìn)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(jìn)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(xué)中的核心聚焦構(gòu)型，其命名源自美國物理學(xué)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(nèi)的廣角X射線散射，從而能夠針對金的（111）和（200）晶面進(jìn)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(jié)構(gòu)研究的X射線衍射技術(shù)。實驗過程中，研究人員將光學(xué)加熱器與X射線探針之間的時序從-1皮秒動態(tài)調(diào)整至6皮秒（約為樣品的熔化時間），并利用極端條件物質(zhì)（MEC，MatterinExtremeConditions）儀器來測量X射線激光與光學(xué)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(shù)，即利用分析器的色散曲線將每個探測到的光子轉(zhuǎn)換為能量。隨后，研究人員將多次實驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，以便構(gòu)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(xué)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(jìn)行加熱，會導(dǎo)致離子速度增加，進(jìn)而引起譜線的多普勒展寬。與室溫實驗不同的是，每個光學(xué)激光脈沖產(chǎn)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(jié)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(guān)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(yīng)進(jìn)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(yán)格的自助法（bootstrap）獲得了展寬的置信區(qū)間，進(jìn)而得到了溫度估計的置信區(qū)間。
通過上述結(jié)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(guān)聯(lián)性，得益于實驗中采用的背散射幾何構(gòu)型和極端加熱速率所實現(xiàn)的大動量轉(zhuǎn)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(diào)控光學(xué)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(chǎn)生彈道電子，這些電子在亞皮秒時間尺度上對熱電子進(jìn)行體積加熱。
鑒于熱電子具有高導(dǎo)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(dǎo)迅速消除。晶格快速升溫通過電子-聲子能量轉(zhuǎn)移實現(xiàn)，其中熱電子充當(dāng)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(xué)可以通過激光注量進(jìn)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(fù)雜性。
為了能在相同條件下進(jìn)行多次實驗，研究人員仔細(xì)測量了所有相關(guān)的實驗參數(shù)，包括靶上激光注量以及X射線脈沖與光學(xué)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(yīng)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?qū)崿F(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(jīng)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(dá)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(xué)家彼得·德拜（PeterDebye）和瑞士物理學(xué)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(yù)測，這種熱振動會導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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?qū)⒔鸺訜岬?3,800±3,200開爾文的溫度，這大約相當(dāng)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(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)長于均勻熔化所需的時間。
自由電子激光是關(guān)鍵
需要說明的是，在本次實驗所研究的范圍內(nèi)，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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)突破此前提出的過熱極限。
清華大學(xué)物理學(xué)博士廉超在社交媒體上表示：“我認(rèn)為這個工作的關(guān)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(chǎn)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(yīng)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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