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，並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，這一溫度遠高於預測的閾值，這表明過熱現象可能存在着高得多的極限，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。這些實驗結果爲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）
據瞭解，隨着短脈衝激光技術的發展，使得超加熱過程中的中間失穩現象能夠得到有效規避，進而使得實驗可以逼近熵災變閾值。這讓人們得以通過採用超過 10¹⁴ 開爾文/秒的加熱速率進行實驗，並能實現在 T≈1.4Tₘ–2.1Tₘ 範圍內的過熱（其中 Tₘ 爲熔化溫度），這一溫度接近、但是並未完全達到預期的極限。
儘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，而這已經成爲制約人們針對過熱現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。爲了應對這一挑戰，本次研究人員採用反向散射區域的非彈性 X 射線散射技術來直接測定離子速度分佈，進而獲取了離子溫度。
通過此，他們發現經過短脈衝激光照射的金材料明確達到了超過 10¹⁵ 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≈14Tₘ）之高，同時金材料並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於此前預期，從而改寫了人們對極端條件下固相穩定性的認知。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短板。日前，相關論文發表於 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後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生類似於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佈，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密度的相關信息。在研究人員的背散射幾何構型中，光譜特徵轉變爲高斯分佈，這種轉變行爲出現在高動量轉移和溫度遠高於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徵溫度。
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量級，這使得研究人員可以爲聲子系統確定單一溫度值（Ti）。因此，該高斯分佈的半峯全寬（FWHM，full-width at half-maximum ）爲 ΔEₜₕₑᵣₘ，它由離子的平均速度決定溫度。這一關係的方程公式如下：
（來源：Nature）
其中，mᵢ 爲離子質量，c 爲光速，kB 爲玻爾茲曼常數，E₀ 爲 X 射線能量。需要特別指出的是，這一分佈形式與具有麥克斯韋-玻爾茲曼分佈的經典氣體完全吻合，並且既不依賴於原子間勢能，也與聲子態密度無關。
根據上述方程，散射光子的能量偏移量極小：當金處於 1000 開爾文的溫度之下，其譜線展寬預計僅爲約 25 毫電子伏特。此外，當加熱速率超過 10¹⁵ 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。
依託美國 SLAC 國家加速器實驗室（Stanford Linear Accelerator Center National Accelerator Laboratory）運營的直線加速器相干光源（LCLS，Linac Coherent Light Source）的極端條件物質（MEC，Matter in Extreme Conditions）儀器於近期取得的進展，以及依託於歐洲同步輻射裝置研發的光譜儀技術，使得研究人員得以在實驗中實現大約 50 毫電子伏特的儀器函數和 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，然後將該樣品固定在鎳網格上，由極端條件物質（MEC，Matter in Extreme Conditions）儀器發出的 45 飛秒、400 納米波長的短脈衝激光進行照射。激光聚焦到半徑約 100 微米的光斑上，產生的能量密度範圍爲 1.9 焦耳/平方釐米到 4.9 焦耳/平方釐米之間。
然後，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 射線束光子能量爲 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爲 87.5°。X 射線光束被聚焦至 5 微米半峯全寬，並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爲 1 米的羅蘭圓上。（注：羅蘭圓（Rowland circle）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（Henry Augustus Rowland））。
另外，研究人員使用一臺 Epix10k 探測器捕捉到了 20° 至 60° 範圍內的廣角 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於單晶結構研究的 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 皮秒動態調整至 6 皮秒（約爲樣品的熔化時間），並利用極端條件物質（MEC，Matter in Extreme Conditions）儀器來測量 X 射線激光與光學激光之間的單次發射延遲。
每次發射的光子計數較低，這時就需要採用單光子計數技術，即利用分析器的色散曲線將每個探測到的光子轉換爲能量。隨後，研究人員將多次實驗所得數據進行彙總，以便構建完整的光譜剖面。儀器函數通過室溫金靶的散射來確定，所得數據如下圖所示。
（來源：Nature）
上述光譜由 749 次發射積累的 7486 個光子生成。由於金的（422）衍射峯與分析器相重合，所得光譜主要反映彈性零聲子線，因此能夠作爲儀器函數的可靠表徵。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 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於描述衍射強度修正的物理量，高斯分量通常指服從高斯分佈的信號成分，沃伊特線型是光譜學與衍射分析中的核心線型函數。
研究人員表示，44.7 毫電子伏特的半峯全寬與先前測得的寬度一致，並且接近理論極限。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，每個光學激光脈衝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。這拖慢了數據採集的過程，再加之時間和靶材的限制，使得可實現的激光脈衝次數受到制約。
觀測結果顯示，從大約 60 次激光脈衝中檢測到的 300 個光子足以生成合理的能譜及其相關誤差估計。加熱後的金的光譜呈現出明顯的展寬。通過最大似然估計法對這一展寬效應進行定量分析，就能基於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間，進而得到了溫度估計的置信區間。
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，人們僅能採用間接測量的方法。另據悉，本次公式中譜線展寬與溫度的直接關聯性，得益於實驗中採用的背散射幾何構型和極端加熱速率所實現的大動量轉移與高溫條件。
晶格溫度演變
據介紹，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，首次實現了金材料在激光輻照後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。
鑑於熱電子具有高導熱性且擴散時間尺度爲亞皮秒，電子加熱過程中出現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，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，這意味着能量傳遞動力學可以通過激光注量進行近似控制。然而，這些信息並未用於本次研究，因爲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-聲子能量交換的複雜性。
爲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，包括靶上激光注量以及 X 射線脈衝與光學脈衝之間的延遲時間。基於激光注量，所得數據被分爲兩類，每類代表一種不同的加熱速率。低注量情形如下圖 a 所示，其注量範圍爲 1.9±0.5 焦耳/平方釐米，對應的加熱速率約爲 3.5×10¹⁵ 開爾文/秒；高注量情形如下圖 b 所示，其注量範圍爲 4.9±0.5 焦耳/平方釐米，能夠實現約爲 6×10¹⁵ 開爾文/秒的加熱速率。
（來源：Nature）
廣角 X 射線探測器經 Dioptas 軟件包處理後，清晰顯示出金樣品（111）與（200）晶面的德拜-謝樂衍射環，時間延遲可達 3 皮秒。（注：德拜-謝樂環，是 X 射線衍射分析中的核心現象。其命名源自荷裔美籍物理學家彼得·德拜（Peter Debye）和瑞士物理學家保羅·謝樂（Paul Scherrer）。）
隨着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。根據德拜-瓦勒理論預測，這種熱振動會導致衍射環強度減弱，並且（200）晶面的衍射峯衰減速度明顯快於（111）晶面。熔化時，樣品失去長程有序性，導致德拜-謝樂環完全消失。實驗中，研究人員根據這種可見的結構消失確定了熔化時間。
在 3.5×10¹⁵ 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，這大約相當於 10 倍的熔點（10Tₘ）。在 6×10¹⁵ 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，這大約相當於其熔點的 14 倍（14Tₘ）。值得注意的是，在這兩種情況下，溫度都超過了 3 倍熔點（3Tₘ）的理論限值，並且持續時間超過 2 皮秒。這一時間長度大約比特徵聲子振盪週期長一個數量級，因此遠遠長於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範圍內，固體的熱容由普適常數決定，而液體熱容的一般形式仍未得到充分表徵。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於熵曲線交叉點（類似於低溫下的考茲曼極限）的論點是否適用於此。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：“我認爲這個工作的關鍵是：自由電子激光。美國投入數十億美元升級的 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
