比太阳还热，黄金依然坚实
研究人员首次直接测量极热材料中的原子温度，无意中反驳了几十年前的理论，并颠覆了我们对过热的理解。 众所周知，测量真正热的东西的温度是很困难的。 无论是太阳中翻腾的等离子体、行星核心的极端条件，还是聚变反应堆内部发挥作用的压碎力，科学家们所说的“温暖致密物质”可以达到数十万度开尔文。 准确了解这些材料的温度对于研究人员充分理解如此复杂的系统至关重要，但到目前为止，进行这些测量几乎是不可能的。 “我们有很好的技术来测量这些系统的密度和压力，但没有温度，”能源部 SLAC 国家加速器实验室的科学家鲍勃·纳格勒 （Bob Nagler） 说。 “在这些研究中，温度总是带有巨大误差线的估计值，这确实支撑着我们的理论模型。 这是一个长达数十年的问题。 现在，一组研究人员首次在《自然》杂志上报告，他们直接测量了温暖致密物质中原子的温度。 虽然其他方法依赖于复杂且难以验证的模型，但这种新方法直接测量原子的速度，从而测量系统的温度。 他们的创新方法已经改变了我们对世界的理解：在实验性首次亮相中，团队过热纯金远超理论极限，意外推翻了四十年的既定理论。 Nagler 和 SLAC 极端条件下物质 （MEC） 仪器的研究人员与内华达大学里诺分校物理学副教授 Tom White 共同领导了这项研究。 该小组包括来自贝尔法斯特女王大学、欧洲 XFEL（X 射线自由电子激光器）、哥伦比亚大学、普林斯顿大学、牛津大学、加利福尼亚州、默塞德和华威大学考文垂分校。 测量温度 近十年来，该团队一直致力于开发一种方法，以规避测量极端温度的常见挑战，特别是在实验室中产生这些温度的条件持续时间很短，以及校准这些复杂系统如何影响其他系统的困难 材料。 “最后，我们直接、明确地进行了直接测量，证明一种可以应用于整个领域的方法，“怀特说。 在 SLAC 的 MEC 仪器中，该团队使用激光对金样品进行过热。 当热量穿过纳米薄的样品时，其原子开始以与其温度上升直接相关的速度振动。 然后，该团队从直线加速器相干光源 （LCLS） 发送超亮 X 射线脉冲穿过热样品。 当它们从振动原子上散射时，X 射线的频率略有变化，揭示了原子的速度，从而揭示了它们的温度。 “这项研究中开发的新型温度测量技术表明，LCLS 处于激光加热物质研究的前沿，”SLAC 高能密度科学部主任、该论文的合著者 Siegfried Glenzer 说。 “LCLS 与这些创新技术相结合，在推进高能量密度科学和惯性聚变等变革性应用方面发挥着重要作用。” 团队很高兴成功演示了这项技术 - 当他们深入研究数据时，他们发现了一些更令人兴奋的东西。 “我们惊讶地发现这些过热固体中的温度比我们最初预期的要高得多，这反驳了 1980 年代长期存在的理论，”怀特说。 “这不是我们最初的目标，但这就是科学的意义所在——发现你不知道存在的新事物。” 在熵灾难中幸存下来 每种材料都有特定的熔点和沸点，分别标志着从固体到液体和液体到气体的转变。 但是，也有例外。 例如，当水在非常光滑的容器中快速加热时（例如微波炉中的一杯水），它可能会变得“过热”，达到 212 华氏度（100 摄氏度）以上的温度，而实际上不会沸腾。 发生这种情况是因为没有粗糙的表面或杂质会引发气泡的形成。 但这种自然诡计带来了更大的风险：系统越偏离其正常的熔点和沸点，它就越容易受到科学家所说的灾难的影响——由轻微的环境变化引发的突然熔化或沸腾。 例如，在微波炉中过热的水在受到干扰时会爆炸性沸腾，可能导致严重烧伤。 虽然一些实验表明可以绕过这些中介快速加热材料的限制，“熵灾难仍然被视为最终边界，”怀特解释道。 在他们最近的研究中，该团队发现黄金已经过热到惊人的 19,000 开尔文（33,740 华氏度）——是其熔点的 14 倍多，远远超过拟议的熵灾难极限——同时保持其固体晶体结构。 “重要的是要澄清，我们没有违反第二定律热力学，“怀特笑着说。 “我们证明的是，如果材料加热得极快——在我们的例子中，在万亿分之一秒内，这些灾难是可以避免的。” 研究人员认为，快速加热阻止了金膨胀，使其能够保持固态。 研究结果表明，如果加热得足够快，过热材料可能没有上限。 融合及其他 Nagler 指出，研究人员研究由于缺乏直接测量温度的可靠方法，多年来，温暖致密物质可能一直在不知不觉中超过熵灾难极限。 “如果我们使用这种技术的第一个实验对既定科学提出了重大挑战，我迫不及待地想看看未来还有什么其他发现，”纳格勒说。 仅举一个例子，White 和 Nagler 的团队今年夏天再次使用这种方法来研究材料的温度冲击压缩以复制行星深处的条件。 Nagler 还渴望将这项新技术（可以精确定位 1,000 至 500,000 开尔文的原子温度）应用于 SLAC 正在进行的惯性聚变能研究。 “当聚变燃料目标在聚变反应堆中内爆时，目标处于温暖致密状态，”纳格勒解释道。 “为了设计有用的目标，我们需要知道它们在什么温度下会经历重要的状态变化。 现在，我们终于有办法让这些测量值。 ：这项工作部分由美国能源部国家核安全管理局和科学聚变能源科学办公室资助。 LCLS 是美国能源部科学办公室的用户设施。