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  温稠密物质(warm?dense?matter)是在宇宙星体、地幔内部、实验室核聚变内爆过程中广泛存在的一类物质。因此,在实验室生成温稠密物质,研究它们的特性对模拟惯性约束核聚变、超新星爆炸和某些行星内部结构、地幔的物质演化和成矿机理等具有重要指导意义。

  温稠密物质范围很宽,可以定义为热能小于或稍超过费米能状态的物质,是通常凝聚态物质和高温完全电离等离子体之间的一类物质,其电子处于部分电离、部分束缚的状态,成分包括自由和束缚电子、离子、原子、分子以及它们组成的束团,一般处于高压状态。通常这类物质具有高的能量密度特征。

  极端X射线探测极端物质

  内布拉斯加-林肯大学物理与天文学教授唐纳德·乌姆斯塔德说,要在实验室造出稠密等离子体,一般方法是迅速加热一个固体密度物质,如一薄层金属箔。如果加热速度足够快,就能达到使密度保持相对恒定,接近于通常固体密度值。超短脉冲激光是能将固体快速加热到稠密等离子体的首选。

  最近,一个由牛津大学奥兰多·希瑞克斯塔和英、美、德、澳等国科学家组成的国际研究小组利用目前世界最强的X射线激光源——斯坦福大学的直线加速相干光源(LCLS)将铝箔在约80飞秒(1飞秒=10-15秒)内加热到70到180eV(约80到200万开氏度)。由于这么短时间内加热,压力达到几千万大气压,铝箔来不及膨胀,还几乎保持着原来固体密度,生成了温稠密等离子体,研究小组对其内部的电离情况进行了直接检测,并将相关结果以论文形式发表在《物理评论快报》上。

  在以往实验中,所用激光只有近红外到紫外波长的激光,新实验用了完全不同的激光:X射线自由电子激光(XFEL)。相干X射线能量很高,达到千电子伏特以上,能将铝核K壳层电子直接击出原子,而红外光基本上只能激发外壳层电子。X射线还能更深地穿透材料,均匀照射整个目标,将其加热到100eV(百万开氏度以上),生成固体密度等离子体。

  正如研究小组领导、牛津大学的贾斯廷·瓦克所说:“X射线激光非常关键,我们无法在别的地方进行这种实验。”LCLS为实验提供了特需条件:用于检测极端现象的严格受控的环境,相干X射线能量极高而且能精确调整,精确检测特殊固体密度等离子体属性的方法。

  希瑞克斯塔等人检测了铝箔系统内高电荷离子的K壳层电离电子的荧光,反推内部压力电离下有效电离势连续降低的变化,发现实验结果和广泛使用的Stewart-Pyatt模型(1965年提出,简称SP模型)所预测的结果不符,却和更早的Ecker-Krll模型(1963年提出,简称EK模型)吻合的较好。研究人员指出,从研究核聚变能源到理解恒星内部的运行机制,这一结果将对许多领域产生重要影响。

  两种模型的含义

  推翻沿用半个世纪的模型意味着什么?理论的改换将会对哪些研究产生影响?为此科技日报记者还专门采访了中国科学院院士、北京大学应用物理与技术研究中心主任贺贤土。

  贺贤土解释说,温稠密物质中存在复杂的电离效应,精确了解不同粒子的电离程度,可以很好了解强耦合下温稠密物质内各种粒子和束团的状态和成分,这对研究温稠密物质特性,如局部热动力学下状态方程和输运系数十分重要。

  目前还没有一种满意的理论能很好描述温稠密物质性质。虽有好几种压力电离模型,但很难判断它们准确性,如何实验诊断难度很大。目前国际上很多数值模拟程序中都采用SP模型,它是用离子间距作为考虑有效屏蔽的平均离子模型的参量;而EK模型是用离子和自由电子密度之和表示粒子间距,作为考虑有效屏蔽的平均离子模型的参量。

  希瑞克斯塔等人用两种模型预言温稠密物质的有效电离势发生连续下降的特性,表明了EK模型给出更大的下降,这对精确研究温稠密物质状态方程、电导系数和热导率、离子辐射等性质都有重要意义。

  实验的重要性还在于他们筛选出了更好的模型。实验数据与EK模型吻合的更好,表明在计算等离子体密度时不能忽略电子的影响,考虑电子数量的模拟效果更好。但EK模型仍有不符合实验的地方,还需要更多实验和细节上的修正。这也体现了等离子体内部电离的复杂性。

  贺贤土说,我国目前还没有像可调谐的千电子伏特以上能量相干的X射线自由电子激光器,上述实验由于条件的限制还无法开展。我们主要利用我国神光Ⅱ和神光Ⅲ原型激光器从整体上进行温稠密物质的状态方程等研究;理论上研究温稠密物质主要从量子统计出发研究它们的电离度、等离子体相变(PPT)、化学势、自能等物理量,并在密度泛函和Green函数等框架下理论研究它们的粒子数密度,进而获得了状态方程和输运系数,精确了解通常要从第一性原理出发进行数值模拟研究。

  温稠密物质研究有广泛应用

  热核聚变能源是人类理想的清洁能源。目前,实现可控核聚变主要有两种技术途径。一种是用托卡马克装置开展“磁约束聚变”的研究,另一种是激光驱动的惯性约束聚变(ICF)。ICF研究除了应用于聚变能源之外,还可用于国防和高能量密度物理基础科学研究。ICF靶丸在内爆过程中受压缩的燃料就是温稠密物质,因此,更好的模型对于指导我国的实验也是重要的参考。同时ICF研究使用的高功率、大能量纳秒脉冲激光器,以及能产生相对论等离子体的超短、超强皮秒和飞秒激光器,可以提供高能量密度物理研究的重要实验条件。它们不仅对ICF研究,而且对建立地球上天体物理模拟实验室、推动超高能精致台式加速器研究、地幔特性和成矿机理研究、超高能核物理研究等都具有十分重要意义。

  贺贤土还指出,高能量密度物理是目前国际上快速发展的新兴学科。在我国,北京大学应用物理与计算研究中心在这一领域中重点开展了以下五个方面的研究:一是高能量密度状态下物质的特性,尤其是温稠密物质的研究;二是强场作用下原子的电离;三是强场下带电粒子加速研究;四是可压缩流体湍流与流体力学不稳定性研究;五是相关数学模型研究和计算机程序开发,目前已获得了大量有国际影响的成果。今年10月北京大学应用物理与计算研究中心还将主持召开高能量密度物理国际会议,国际上很多这一领域的著名科学家将来华参加这一盛会,进行学术交流和讨论合作研究。(记者 常丽君)

  《科技日报》(2012-10-08 二版)