溫稠密物質(zhì)（warm dense matter）是在宇宙星體、地幔內(nèi)部、實(shí)驗(yàn)室核聚變內(nèi)爆過程中廣泛存在的一類物質(zhì)。因此，在實(shí)驗(yàn)室生成溫稠密物質(zhì)，研究它們的特性對模擬慣性約束核聚變、超新星爆炸和某些行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地幔的物質(zhì)演化和成礦機(jī)理等具有重要指導(dǎo)意義。

　　溫稠密物質(zhì)范圍很寬，可以定義為熱能小于或稍超過費(fèi)米能狀態(tài)的物質(zhì)，是通常凝聚態(tài)物質(zhì)和高溫完全電離等離子體之間的一類物質(zhì)，其電子處于部分電離、部分束縛的狀態(tài)，成分包括自由和束縛電子、離子、原子、分子以及它們組成的束團(tuán)，一般處于高壓狀態(tài)。通常這類物質(zhì)具有高的能量密度特征。

　　極端X射線探測極端物質(zhì)

　　內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)物理與天文學(xué)教授唐納德·烏姆斯塔德說，要在實(shí)驗(yàn)室造出稠密等離子體，一般方法是迅速加熱一個固體密度物質(zhì)，如一薄層金屬箔。如果加熱速度足夠快，就能達(dá)到使密度保持相對恒定，接近于通常固體密度值。超短脈沖激光是能將固體快速加熱到稠密等離子體的首選。

　　最近，一個由牛津大學(xué)奧蘭多·希瑞克斯塔和英、美、德、澳等國科學(xué)家組成的國際研究小組利用目前世界最強(qiáng)的X射線激光源——斯坦福大學(xué)的直線加速相干光源（LCLS）將鋁箔在約80飛秒（1飛秒=10-15秒）內(nèi)加熱到70到180eV（約80到200萬開氏度）。由于這么短時間內(nèi)加熱，壓力達(dá)到幾千萬大氣壓，鋁箔來不及膨脹，還幾乎保持著原來固體密度，生成了溫稠密等離子體，研究小組對其內(nèi)部的電離情況進(jìn)行了直接檢測，并將相關(guān)結(jié)果以論文形式發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。

　　在以往實(shí)驗(yàn)中，所用激光只有近紅外到紫外波長的激光，新實(shí)驗(yàn)用了完全不同的激光：X射線自由電子激光（XFEL）。相干X射線能量很高，達(dá)到千電子伏特以上，能將鋁核K殼層電子直接擊出原子，而紅外光基本上只能激發(fā)外殼層電子。X射線還能更深地穿透材料，均勻照射整個目標(biāo)，將其加熱到100eV（百萬開氏度以上），生成固體密度等離子體。

　　正如研究小組領(lǐng)導(dǎo)、牛津大學(xué)的賈斯廷·瓦克所說：“X射線激光非常關(guān)鍵，我們無法在別的地方進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)。”LCLS為實(shí)驗(yàn)提供了特需條件：用于檢測極端現(xiàn)象的嚴(yán)格受控的環(huán)境，相干X射線能量極高而且能精確調(diào)整，精確檢測特殊固體密度等離子體屬性的方法。

　　希瑞克斯塔等人檢測了鋁箔系統(tǒng)內(nèi)高電荷離子的K殼層電離電子的熒光，反推內(nèi)部壓力電離下有效電離勢連續(xù)降低的變化，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和廣泛使用的Stewart-Pyatt模型（1965年提出，簡稱SP模型）所預(yù)測的結(jié)果不符，卻和更早的Ecker-Krll模型（1963年提出，簡稱EK模型）吻合的較好。研究人員指出，從研究核聚變能源到理解恒星內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制，這一結(jié)果將對許多領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

　　兩種模型的含義

　　推翻沿用半個世紀(jì)的模型意味著什么？理論的改換將會對哪些研究產(chǎn)生影響？為此科技日報(bào)記者還專門采訪了中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心主任賀賢土。

　　賀賢土解釋說，溫稠密物質(zhì)中存在復(fù)雜的電離效應(yīng)，精確了解不同粒子的電離程度，可以很好了解強(qiáng)耦合下溫稠密物質(zhì)內(nèi)各種粒子和束團(tuán)的狀態(tài)和成分，這對研究溫稠密物質(zhì)特性，如局部熱動力學(xué)下狀態(tài)方程和輸運(yùn)系數(shù)十分重要。

　　目前還沒有一種滿意的理論能很好描述溫稠密物質(zhì)性質(zhì)。雖有好幾種壓力電離模型，但很難判斷它們準(zhǔn)確性，如何實(shí)驗(yàn)診斷難度很大。目前國際上很多數(shù)值模擬程序中都采用SP模型，它是用離子間距作為考慮有效屏蔽的平均離子模型的參量；而EK模型是用離子和自由電子密度之和表示粒子間距，作為考慮有效屏蔽的平均離子模型的參量。

　　希瑞克斯塔等人用兩種模型預(yù)言溫稠密物質(zhì)的有效電離勢發(fā)生連續(xù)下降的特性，表明了EK模型給出更大的下降，這對精確研究溫稠密物質(zhì)狀態(tài)方程、電導(dǎo)系數(shù)和熱導(dǎo)率、離子輻射等性質(zhì)都有重要意義。

　　實(shí)驗(yàn)的重要性還在于他們篩選出了更好的模型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與EK模型吻合的更好，表明在計(jì)算等離子體密度時不能忽略電子的影響，考慮電子數(shù)量的模擬效果更好。但EK模型仍有不符合實(shí)驗(yàn)的地方，還需要更多實(shí)驗(yàn)和細(xì)節(jié)上的修正。這也體現(xiàn)了等離子體內(nèi)部電離的復(fù)雜性。

　　賀賢土說，我國目前還沒有像可調(diào)諧的千電子伏特以上能量相干的X射線自由電子激光器，上述實(shí)驗(yàn)由于條件的限制還無法開展。我們主要利用我國神光Ⅱ和神光Ⅲ原型激光器從整體上進(jìn)行溫稠密物質(zhì)的狀態(tài)方程等研究；理論上研究溫稠密物質(zhì)主要從量子統(tǒng)計(jì)出發(fā)研究它們的電離度、等離子體相變（PPT）、化學(xué)勢、自能等物理量，并在密度泛函和Green函數(shù)等框架下理論研究它們的粒子數(shù)密度，進(jìn)而獲得了狀態(tài)方程和輸運(yùn)系數(shù)，精確了解通常要從第一性原理出發(fā)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

　　溫稠密物質(zhì)研究有廣泛應(yīng)用

　　熱核聚變能源是人類理想的清潔能源。目前，實(shí)現(xiàn)可控核聚變主要有兩種技術(shù)途徑。一種是用托卡馬克裝置開展“磁約束聚變”的研究，另一種是激光驅(qū)動的慣性約束聚變（ICF）。ICF研究除了應(yīng)用于聚變能源之外，還可用于國防和高能量密度物理基礎(chǔ)科學(xué)研究。ICF靶丸在內(nèi)爆過程中受壓縮的燃料就是溫稠密物質(zhì)，因此，更好的模型對于指導(dǎo)我國的實(shí)驗(yàn)也是重要的參考。同時ICF研究使用的高功率、大能量納秒脈沖激光器，以及能產(chǎn)生相對論等離子體的超短、超強(qiáng)皮秒和飛秒激光器，可以提供高能量密度物理研究的重要實(shí)驗(yàn)條件。它們不僅對ICF研究，而且對建立地球上天體物理模擬實(shí)驗(yàn)室、推動超高能精致臺式加速器研究、地幔特性和成礦機(jī)理研究、超高能核物理研究等都具有十分重要意義。

　　賀賢土還指出，高能量密度物理是目前國際上快速發(fā)展的新興學(xué)科。在我國，北京大學(xué)應(yīng)用物理與計(jì)算研究中心在這一領(lǐng)域中重點(diǎn)開展了以下五個方面的研究：一是高能量密度狀態(tài)下物質(zhì)的特性，尤其是溫稠密物質(zhì)的研究；二是強(qiáng)場作用下原子的電離；三是強(qiáng)場下帶電粒子加速研究；四是可壓縮流體湍流與流體力學(xué)不穩(wěn)定性研究；五是相關(guān)數(shù)學(xué)模型研究和計(jì)算機(jī)程序開發(fā)，目前已獲得了大量有國際影響的成果。今年10月北京大學(xué)應(yīng)用物理與計(jì)算研究中心還將主持召開高能量密度物理國際會議，國際上很多這一領(lǐng)域的著名科學(xué)家將來華參加這一盛會，進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和討論合作研究。