我国科学家突破高温物质测量难题 无接触技术揭开核聚变关键参数奥秘

问题——恒星内部、巨型行星深处乃至地球核心等极端环境中,物质往往处于一种介于固体与完全电离等离子体之间的特殊状态;学界通常将其称为“温暖密集物质”。这个状态既决定能量与电荷如何输运,也影响磁场生成、冲击压缩过程及惯性约束聚变等关键物理环节。然而长期以来,它“无处不在却难以触及”:温度可高于太阳表面,密度又保持在凝聚态量级,传统电学探针与导线在数千至上万开尔文条件下难以存活,导致电导率等核心参量多依赖推算与间接证据,模型验证存在缺口。 原因——温暖密集物质的“难测”根源在于两点叠加:一是极端热环境使材料迅速蒸发、熔融或发生剧烈相变,接触式传感器无法在足够短的时间窗内稳定工作;二是该状态下电子与离子强耦合,散射机制复杂,理论上既不能简单沿用固体金属的自由电子近似,也难完全套用稀薄等离子体的弱耦合框架。测量手段受限,使得物理图景往往停留在“可解释但难证实”的层面,更制约对天体内部与聚变靶丸物质行为的精确描述。 影响——针对这一痛点,研究团队提出无接触测量路径:首先选取薄铝样品,以强激光快速加热至约1万开尔文,使其进入温暖密集状态;随后向处于高温发光状态的样品注入太赫兹辐射。太赫兹波在材料内部诱导电场,无需任何物理接触即可驱动电荷响应。研究人员通过高时间分辨率地测量样品对该电场的响应,直接计算电导率。研究团队表示,这是目前针对温暖密集物质电导率更为精细的测量方案之一,其关键在于“用光场完成传统电学接触的角色”,从而在高温、高密度、短时间尺度下获得可校验的数据。 更值得关注的是观测结果本身:铝在升温过程中电导率出现两次明显下降。第一次下降符合既有预期——材料从固态金属向温暖密集状态演化时,载流子散射增强、结构与电子态改变导致导电能力减弱。第二次下降则更具启发性,以往缺少清晰直接的实验指认。为解释这一现象,研究人员进一步借助超快电子衍射,对样品在百万分之一秒量级的结构变化进行“快照”式追踪。结果显示,第二次电导率骤降对应原子有序排列的突然瓦解,即结构从相对有序向更无序的状态转变,提示电输运的拐点与结构失序高度有关。 对策——从科研方法论看,无接触太赫兹测量的价值不仅在于“能测”,更在于“可校准”。一上,它为极端条件下的电输运测量提供了更可重复、可对照的实验手段,有助于检验并修正物质状态方程、输运系数与强耦合体系理论;另一方面,电导率数据直接关系到能量沉积、热扩散与电磁场演化,对聚变装置中材料与等离子体相互作用的设计优化具有现实意义。就地球与行星科学而言,电导率与磁场生成机制紧密相关,相关参数的实测进展有望推动对地核、深部物质及磁场起源的研究向前迈进。 同时,研究也提示当前方法仍有边界条件:迄今验证对象主要是铝这类相对简单金属,便于在实验与理论间建立对照。下一步,团队计划将测量拓展至更复杂、与地球深部更相关的材料体系,如铁及其合金等,以评估方法在多组分、高压耦合环境下的适用性与精度,并逐步形成可迁移的极端条件测量“工具箱”。 前景——随着高功率激光、太赫兹源与超快衍射诊断能力的持续进步,温暖密集物质研究正从“依赖推断”迈向“可测可证”。未来若能在更高压、更复杂化学成分以及更接近天体内部条件的参数区间实现稳定测量,将有望大幅提升对恒星、行星内部物理过程的可计算性,也将为聚变能源相关实验提供更可靠的材料与输运参数支撑。换言之,这一无接触测量思路正在把曾经难以进入的极端物质世界,逐步转化为可以开展定量实验的“新实验室”。

从“只能估算”到“可直接测量”,无接触电导率测量的突破为人类理解极端物质状态提供了更清晰的观测窗口。随着技术向更多材料体系和更宽温压范围扩展,温暖密集物质此长期“可知而难测”的领域有望获得更坚实的实验支撑,并在聚变能源探索与地球深部科学等领域持续发挥基础研究的引领作用和应用价值。