研究人员首次测量了极端物质中的原子温度，发现金在19,000开尔文下依然存在，这一温度超过其熔点的14倍。该结果推翻了一项40年前的热极限理论。
测量极热物体的温度是出了名的困难。无论是太阳内部翻滚的等离子体、行星核心的极端环境，还是聚变反应堆内部巨大的压力作用，科学家们所称的“温稠密物质”都可以达到数十万开尔文的高温。
精确了解这些材料的温度对于研究人员充分理解此类复杂系统至关重要，但迄今为止，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，但没有测量温度的技术，”能源部SLAC国家加速器实验室的科学家Bob Nagler说。“在这些研究中，温度总是带有巨大误差范围的估算值，这确实阻碍了我们的理论模型。这是一个持续了数十年的问题。”
现在，一个研究团队首次在《自然》杂志上报告称，他们直接测量了温稠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，从而得出系统的温度。他们的创新方法已经在改变我们对世界的理解：在首次实验中，该团队将固态金加热到远超理论极限的高温，意外推翻了四十年来既定的理论。
“这并非我们的初衷，但这正是科学的意义所在——发现你未曾知晓的新事物。” Tom White 内华达大学里诺分校物理学副教授
Nagler和SLAC极端物质条件（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。该小组成员来自贝尔法斯特女王大学、欧洲XFEL（X射线自由电子激光）、哥伦比亚大学、普林斯顿大学、牛津大学、加州大学默塞德分校以及华威大学考文垂分校。
测量温度
近十年来，该团队致力于开发一种方法，以克服测量极端温度的常规挑战——具体而言，即在实验室中产生这些温度的条件持续时间短暂，以及校准这些复杂系统如何影响其他材料的难度。
“最终，我们直接且明确地进行了直接测量，展示了一种可应用于整个领域的方法，”White说。
在SLAC的MEC仪器处，团队使用激光对金样品进行过热。当热量闪过纳米级薄样品时，其原子开始以与其升温直接相关的速度振动。随后，团队从直线加速器相干光源（LCLS）向过热样品发送了一束超亮X射线。当X射线从振动的原子上散射时，其频率发生了轻微偏移，从而揭示了原子的速度及其温度。
“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高能量密度科学部门主任、该论文合著者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。”
团队对成功演示这一技术感到兴奋——而当他们深入观察数据时，发现了更令人兴奋的事情。
“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，这推翻了20世纪80年代以来的一项长期理论，”White说。“这并非我们的初衷，但这正是科学的意义所在——发现你未曾知晓的新事物。”
幸免于熵灾变
每种材料都有特定的熔点和沸点，分别标志着从固态到液态和从液态到气态的转变。然而，也有例外。例如，当水在非常光滑的容器（如微波炉中的玻璃杯）中快速加热时，它可能会变得“过热”，达到超过212华氏度（100摄氏度）的温度而不沸腾。这是因为没有粗糙表面或杂质来触发气泡的形成。
但这种自然界的把戏伴随着更高的风险：系统偏离其正常熔点和沸点越远，就越容易发生科学家所称的“灾变”——即由微小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受到扰动时会剧烈沸腾，可能导致严重烫伤。
虽然一些实验表明可以通过快速加热材料来绕过这些中间极限，但“熵灾变仍被视为最终的边界，”White解释道。
在最近的研究中，团队发现金被过热到了惊人的19,000开尔文（33,740华氏度）——是其熔点的14倍以上，且远超提出的熵灾变极限——而这一切都是在保持其固态晶体结构的同时发生的。
“如果我们使用这项技术的首次实验就对既定科学构成了重大挑战，我迫不及待地想看看未来还会有什么其他发现。” Bob Nagler SLAC科学家
“重要的是要澄清，我们并没有违反热力学第二定律，”White笑着说道。“我们要证明的是，如果材料被极快地加热——在我们的实验中，是在万亿分之一秒内——这些灾变是可以避免的。”
研究人员认为，快速加热阻止了金的膨胀，使其能够保持固态。研究结果表明，如果加热速度足够快，过热材料可能不存在上限。
聚变及未来
Nagler指出，由于缺乏直接测量温度的可靠方法，研究温稠密物质的研究人员可能多年来一直在超越熵灾变极限而不自知。
“如果我们使用这项技术的首次实验就对既定科学构成了重大挑战，我迫不及待地想看看未来还会有什么其他发现，”Nagler说。
仅举一例，White和Nagler的团队今年夏天再次使用这种方法，研究了经过冲击压缩以模拟行星深处条件的材料的温度。
Nagler还渴望将这项新技术——它可以精确测定从1,000到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。“当聚变燃料靶丸在聚变反应堆中内爆时，靶丸处于温稠密状态，”Nagler解释道。“为了设计有用的靶丸，我们需要知道它们在什么温度下会发生重要的状态变化。现在，我们终于有了进行这些测量的方法。”
这项工作部分由美国能源部国家核安全管理局和科学办公室聚变能源科学资助。LCLS是能源部科学办公室的用户设施。