将黄金加热到快 19000℃ 竟还是固体？近日，来自美国内华达大学雷诺分校的研究人员在超快加热条件下进行了极限实验测试，并通过高分辨率非弹性 X 射线散射直接追踪到了晶格温度。
图 | 实验装置（Nature）
他们将金样品加热到超过其熔点 14 倍的温度，同时仍保持其晶体结构，这一温度远高于预测的阈值，这表明过热现象可能存在着高得多的极限，甚至可能没有极限。研究人员指出，样品在如此短暂的时间尺度下无法膨胀，这一点与先前的估算存在重要差异。这些实验结果为理解极端条件下的熔化动力学提供了见解。
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据了解，随着短脉冲激光技术的发展，使得超加热过程中的中间失稳现象能够得到有效规避，进而使得实验可以逼近熵灾变阈值。这让人们得以通过采用超过 10¹⁴ 开尔文/秒的加热速率进行实验，并能实现在 T≈1.4Tₘ–2.1Tₘ 范围内的过热（其中 Tₘ 为熔化温度），这一温度接近、但是并未完全达到预期的极限。
尽管加热速率技术已取得进展，不过仍然缺乏一种直接且不依赖模型的方法来精确测量高温、固体密度体系中的离子温度，而这已经成为制约人们针对过热现象做出精确可靠结论的主要障碍。此前，人们往往通过分析材料结构或能量吸收来间接测量离子温度。为了应对这一挑战，本次研究人员采用反向散射区域的非弹性 X 射线散射技术来直接测定离子速度分布，进而获取了离子温度。
通过此，他们发现经过短脉冲激光照射的金材料明确达到了超过 10¹⁵ 开尔文/秒的加热速率，这促使离子温度升至金材料熔点的大约 14 倍（T≈14Tₘ）之高，同时金材料并没有丧失其固体结构。这一测量结果不仅超越了先前预测的熵灾变界限，还表明固体过热的阈值可能远高于此前预期，从而改写了人们对极端条件下固相稳定性的认知。这一突破性进展对高压与高能量密度研究具有变革性意义，它攻克了该领域长期存在的温度精准测定难题，而温度测量的不精确性正是此类研究的传统短板。日前，相关论文发表于Nature[1]。
测量晶格温度
研究中，研究人员利用高分辨率非弹性 X 射线散射，精确测量了经过强激光加热之后的金样品中的离子温度。在这些条件下，光子从离子上散射时会发生类似于多普勒频移的能量偏移，这使得研究人员能够通过入射 X 射线产生的光谱展宽来确定速度分布，进而确定温度。
晶体中声子模式的散射是一种成熟的技术。在多晶体中，该技术可以提供声子态密度的相关信息。在研究人员的背散射几何构型中，光谱特征转变为高斯分布，这种转变行为出现在高动量转移和温度远高于德拜温度时的多声子作用极限条件下。需要说明的是，德拜温度是固体物理中一个重要的特征温度。
此外，金材料中声子-声子平衡速率比电子-声子平衡速率高出一个数量级，这使得研究人员可以为声子系统确定单一温度值（Ti）。因此，该高斯分布的半峰全宽（FWHM，full-width at half-maximum ）为 ΔEₜₕₑᵣₘ，它由离子的平均速度决定温度。这一关系的方程公式如下：
（Nature）
其中，mᵢ 为离子质量，c 为光速，kB 为玻尔兹曼常数，E₀ 为 X 射线能量。需要特别指出的是，这一分布形式与具有麦克斯韦-玻尔兹曼分布的经典气体完全吻合，并且既不依赖于原子间势能，也与声子态密度无关。
根据上述方程，散射光子的能量偏移量极小：当金处于 1000 开尔文的温度之下，其谱线展宽预计仅为约 25 毫电子伏特。此外，当加热速率超过 10¹⁵ 开尔文/秒时，金样品的寿命通常非常短暂。因此，要想测量由离子运动引起的展宽，需要将高亮度 X 射线源与高分辨率光谱仪相结合。
依托美国 SLAC 国家加速器实验室（Stanford Linear Accelerator Center National Accelerator Laboratory）运营的直线加速器相干光源（LCLS，Linac Coherent Light Source）的极端条件物质（MEC，Matter in Extreme Conditions）仪器于近期取得的进展，以及依托于欧洲同步辐射装置研发的光谱仪技术，使得研究人员得以在实验中实现大约 50 毫电子伏特的仪器函数和 40 飞秒时长的 X 射线探测。
实验中，研究人员使用一个 50 纳米厚的多晶金样品，然后将该样品固定在镍网格上，由极端条件物质（MEC，Matter in Extreme Conditions）仪器发出的 45 飞秒、400 纳米波长的短脉冲激光进行照射。激光聚焦到半径约 100 微米的光斑上，产生的能量密度范围为 1.9 焦耳/平方厘米到 4.9 焦耳/平方厘米之间。
然后，他们通过真空室外部的一台经过校准的相机记录了每次发射时的激光注量。直线加速器相干光源产生的 X 射线束光子能量为 7,491.9 电子伏特，该光束通过四面反射通道切割式 Si（533）单色器进行单色化处理，单色器的布拉格角设定为 87.5°。X 射线光束被聚焦至 5 微米半峰全宽，并与光学光束中心对准。
散射光子通过三个球面弯曲的 Si（533）切割晶体分析器进行探测，这些分析器的摆放位置可覆盖 167° 至 173° 的散射角，布拉格反射由 X 射线像素阵列探测器 Epix-100a 进行记录。分析器和探测器则被安装在一个直径为 1 米的罗兰圆上。（注：罗兰圆（Rowland circle）是光谱学中的核心聚焦构型，其命名源自美国物理学家亨利·奥古斯塔斯·罗兰（Henry Augustus Rowland））。
另外，研究人员使用一台 Epix10k 探测器捕捉到了 20° 至 60° 范围内的广角 X 射线散射，从而能够针对金的（111）和（200）晶面进行劳厄衍射分析。需要说明的是，劳厄衍射分析是一种用于单晶结构研究的 X 射线衍射技术。实验过程中，研究人员将光学加热器与 X 射线探针之间的时序从-1 皮秒动态调整至 6 皮秒（约为样品的熔化时间），并利用极端条件物质（MEC，Matter in Extreme Conditions）仪器来测量 X 射线激光与光学激光之间的单次发射延迟。
每次发射的光子计数较低，这时就需要采用单光子计数技术，即利用分析器的色散曲线将每个探测到的光子转换为能量。随后，研究人员将多次实验所得数据进行汇总，以便构建完整的光谱剖面。仪器函数通过室温金靶的散射来确定，所得数据如下图所示。
（Nature）
上述光谱由 749 次发射积累的 7486 个光子生成。由于金的（422）衍射峰与分析器相重合，所得光谱主要反映弹性零声子线，因此能够作为仪器函数的可靠表征。在这种情况之下，实验测得的光谱与沃伊特线型高度吻合，其中通过最大似然估计法确定的参数 γ 和 σ 分别定义了洛伦兹分量与高斯分量的宽度。
需要说明的是，洛伦兹分量是 X 射线或中子衍射分析中用于描述衍射强度修正的物理量，高斯分量通常指服从高斯分布的信号成分，沃伊特线型是光谱学与衍射分析中的核心线型函数。
研究人员表示，44.7 毫电子伏特的半峰全宽与先前测得的宽度一致，并且接近理论极限。同时，其还指出通过激光针对靶材进行加热，会导致离子速度增加，进而引起谱线的多普勒展宽。与室温实验不同的是，每个光学激光脉冲产生的强热会破坏靶材，因此每次测量都需要使用新的金样品。这拖慢了数据采集的过程，再加之时间和靶材的限制，使得可实现的激光脉冲次数受到制约。
观测结果显示，从大约 60 次激光脉冲中检测到的 300 个光子足以生成合理的能谱及其相关误差估计。加热后的金的光谱呈现出明显的展宽。通过最大似然估计法对这一展宽效应进行定量分析，就能基于上述公式计算出温度。期间，研究人员通过使用严格的自助法（bootstrap）获得了展宽的置信区间，进而得到了温度估计的置信区间。
通过上述结果，他们还直接测量了高密度下高温条件中的离子温度。而在此前，人们仅能采用间接测量的方法。另据悉，本次公式中谱线展宽与温度的直接关联性，得益于实验中采用的背散射几何构型和极端加热速率所实现的大动量转移与高温条件。
晶格温度演变
据介绍，研究人员通过精确调控光学泵浦激光与 X 射线探针之间的时间延迟，首次实现了金材料在激光辐照后离子温度演化过程的直接测量。光泵浦产生弹道电子，这些电子在亚皮秒时间尺度上对热电子进行体积加热。
鉴于热电子具有高导热性且扩散时间尺度为亚皮秒，电子加热过程中出现的任何不均匀性都会通过热电子的热传导迅速消除。晶格快速升温通过电子-声子能量转移实现，其中热电子充当了热库的作用。而能量交换速率大致与温差成正比，这意味着能量传递动力学可以通过激光注量进行近似控制。然而，这些信息并未用于本次研究，因为研究人员的方法能够直接测量离子温度，从而避开了计算电子-声子能量交换的复杂性。
为了能在相同条件下进行多次实验，研究人员仔细测量了所有相关的实验参数，包括靶上激光注量以及 X 射线脉冲与光学脉冲之间的延迟时间。基于激光注量，所得数据被分为两类，每类代表一种不同的加热速率。低注量情形如下图 a 所示，其注量范围为 1.9±0.5 焦耳/平方厘米，对应的加热速率约为 3.5×10¹⁵ 开尔文/秒；高注量情形如下图 b 所示，其注量范围为 4.9±0.5 焦耳/平方厘米，能够实现约为 6×10¹⁵ 开尔文/秒的加热速率。
（Nature）
广角 X 射线探测器经 Dioptas 软件包处理后，清晰显示出金样品（111）与（200）晶面的德拜-谢乐衍射环，时间延迟可达 3 皮秒。（注：德拜-谢乐环，是 X 射线衍射分析中的核心现象。其命名源自荷裔美籍物理学家彼得·德拜（Peter Debye）和瑞士物理学家保罗·谢乐（Paul Scherrer）。）
随着样品中的离子受热升温，它们在平衡位置附近的振动幅度逐渐增大。根据德拜-瓦勒理论预测，这种热振动会导致衍射环强度减弱，并且（200）晶面的衍射峰衰减速度明显快于（111）晶面。熔化时，样品失去长程有序性，导致德拜-谢乐环完全消失。实验中，研究人员根据这种可见的结构消失确定了熔化时间。
在 3.5×10¹⁵ 开尔文/秒的加热速率下，能够将金加热到 13,800±3,200 开尔文的温度，这大约相当于 10 倍的熔点（10Tₘ）。在 6×10¹⁵ 开尔文/秒的更高加热速率下，样品被加热到 19,000±4,000 开尔文的温度，这大约相当于其熔点的 14 倍（14Tₘ）。值得注意的是，在这两种情况下，温度都超过了 3 倍熔点（3Tₘ）的理论限值，并且持续时间超过 2 皮秒。这一时间长度大约比特征声子振荡周期长一个数量级，因此远远长于均匀熔化所需的时间。
自由电子激光是关键
需要说明的是，在本次实验所研究的范围内，固体的热容由普适常数决定，而液体热容的一般形式仍未得到充分表征。因此，目前尚不清楚固体和液体的熵是否会在更高温度下相交。
此外，非平衡系统和薄膜中的热容变化可能会进一步改变熵平衡。所以，目前尚不确定那些基于熵曲线交叉点（类似于低温下的考兹曼极限）的论点是否适用于此。然而，研究人员的实验清楚地表明，只要对材料的加热速度足够快，就能够远远突破此前提出的过热极限。
清华大学物理学博士廉超在社交媒体上表示：“我认为这个工作的关键是：自由电子激光。美国投入数十亿美元升级的 SLAC+自由电子激光装置，产生光子能量7500eV（电子伏特）、展宽只有 0.5eV（电子伏特）的X光。目前看起来时间分辨率是皮秒级，但应该仍然是世界顶级的（工作）。[2]”
参考资料：
1.https://www.nature.com/articles/s41586-025-09253-y
2.https://www.zhihu.com/question/1932213499309843001/answer/1932880290507907964
