溫稠密物質（warm dense matter）是在宇宙星體(ti) 、地幔內(nei) 部、實驗室核聚變內(nei) 爆過程中廣泛存在的一類物質。因此，在實驗室生成溫稠密物質，研究它們(men) 的特性對模擬慣性約束核聚變、超新星爆炸和某些行星內(nei) 部結構、地幔的物質演化和成礦機理等具有重要指導意義(yi) 。

　　溫稠密物質範圍很寬，可以定義(yi) 為(wei) 熱能小於(yu) 或稍超過費米能狀態的物質，是通常凝聚態物質和高溫完全電離等離子體(ti) 之間的一類物質，其電子處於(yu) 部分電離、部分束縛的狀態，成分包括自由和束縛電子、離子、原子、分子以及它們(men) 組成的束團，一般處於(yu) 高壓狀態。通常這類物質具有高的能量密度特征。

　　極端X射線探測極端物質

　　內(nei) 布拉斯加-林肯大學物理與(yu) 天文學教授唐納德·烏(wu) 姆斯塔德說，要在實驗室造出稠密等離子體(ti) ，一般方法是迅速加熱一個(ge) 固體(ti) 密度物質，如一薄層金屬箔。如果加熱速度足夠快，就能達到使密度保持相對恒定，接近於(yu) 通常固體(ti) 密度值。超短脈衝(chong) 激光是能將固體(ti) 快速加熱到稠密等離子體(ti) 的首選。

　　最近，一個(ge) 由牛津大學奧蘭(lan) 多·希瑞克斯塔和英、美、德、澳等國科學家組成的國際研究小組利用目前世界最強的X射線激光源——斯坦福大學的直線加速相幹光源（LCLS）將鋁箔在約80飛秒（1飛秒=10-15秒）內(nei) 加熱到70到180eV（約80到200萬(wan) 開氏度）。由於(yu) 這麽(me) 短時間內(nei) 加熱，壓力達到幾千萬(wan) 大氣壓，鋁箔來不及膨脹，還幾乎保持著原來固體(ti) 密度，生成了溫稠密等離子體(ti) ，研究小組對其內(nei) 部的電離情況進行了直接檢測，並將相關(guan) 結果以論文形式發表在《物理評論快報》上。

　　在以往實驗中，所用激光隻有近紅外到紫外波長的激光，新實驗用了完全不同的激光：X射線自由電子激光（XFEL）。相幹X射線能量很高，達到千電子伏特以上，能將鋁核K殼層電子直接擊出原子，而紅外光基本上隻能激發外殼層電子。X射線還能更深地穿透材料，均勻照射整個(ge) 目標，將其加熱到100eV（百萬(wan) 開氏度以上），生成固體(ti) 密度等離子體(ti) 。

　　正如研究小組領導、牛津大學的賈斯廷·瓦克所說：“X射線激光非常關(guan) 鍵，我們(men) 無法在別的地方進行這種實驗。”LCLS為(wei) 實驗提供了特需條件：用於(yu) 檢測極端現象的嚴(yan) 格受控的環境，相幹X射線能量極高而且能精確調整，精確檢測特殊固體(ti) 密度等離子體(ti) 屬性的方法。

　　希瑞克斯塔等人檢測了鋁箔係統內(nei) 高電荷離子的K殼層電離電子的熒光，反推內(nei) 部壓力電離下有效電離勢連續降低的變化，發現實驗結果和廣泛使用的Stewart-Pyatt模型（1965年提出，簡稱SP模型）所預測的結果不符，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(cong) 研究核聚變能源到理解恒星內(nei) 部的運行機製，這一結果將對許多領域產(chan) 生重要影響。

　　兩(liang) 種模型的含義(yi)

　　推翻沿用半個(ge) 世紀的模型意味著什麽(me) ？理論的改換將會(hui) 對哪些研究產(chan) 生影響？為(wei) 此科技日報記者還專(zhuan) 門采訪了中國科學院院士、北京大學應用物理與(yu) 技術研究中心主任賀賢土。

　　賀賢土解釋說，溫稠密物質中存在複雜的電離效應，精確了解不同粒子的電離程度，可以很好了解強耦合下溫稠密物質內(nei) 各種粒子和束團的狀態和成分，這對研究溫稠密物質特性，如局部熱動力學下狀態方程和輸運係數十分重要。

　　目前還沒有一種滿意的理論能很好描述溫稠密物質性質。雖有好幾種壓力電離模型，但很難判斷它們(men) 準確性，如何實驗診斷難度很大。目前國際上很多數值模擬程序中都采用SP模型，它是用離子間距作為(wei) 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(wei) 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(liang) 種模型預言溫稠密物質的有效電離勢發生連續下降的特性，表明了EK模型給出更大的下降，這對精確研究溫稠密物質狀態方程、電導係數和熱導率、離子輻射等性質都有重要意義(yi) 。

　　實驗的重要性還在於(yu) 他們(men) 篩選出了更好的模型。實驗數據與(yu) EK模型吻合的更好，表明在計算等離子體(ti) 密度時不能忽略電子的影響，考慮電子數量的模擬效果更好。但EK模型仍有不符合實驗的地方，還需要更多實驗和細節上的修正。這也體(ti) 現了等離子體(ti) 內(nei) 部電離的複雜性。

　　賀賢土說，我國目前還沒有像可調諧的千電子伏特以上能量相幹的X射線自由電子激光器，上述實驗由於(yu) 條件的限製還無法開展。我們(men) 主要利用我國神光Ⅱ和神光Ⅲ原型激光器從(cong) 整體(ti) 上進行溫稠密物質的狀態方程等研究；理論上研究溫稠密物質主要從(cong) 量子統計出發研究它們(men) 的電離度、等離子體(ti) 相變（PPT）、化學勢、自能等物理量，並在密度泛函和Green函數等框架下理論研究它們(men) 的粒子數密度，進而獲得了狀態方程和輸運係數，精確了解通常要從(cong) 第一性原理出發進行數值模擬研究。

　　溫稠密物質研究有廣泛應用

　　熱核聚變能源是人類理想的清潔能源。目前，實現可控核聚變主要有兩(liang) 種技術途徑。一種是用托卡馬克裝置開展“磁約束聚變”的研究，另一種是激光驅動的慣性約束聚變（ICF）。ICF研究除了應用於(yu) 聚變能源之外，還可用於(yu) 國防和高能量密度物理基礎科學研究。ICF靶丸在內(nei) 爆過程中受壓縮的燃料就是溫稠密物質，因此，更好的模型對於(yu) 指導我國的實驗也是重要的參考。同時ICF研究使用的高功率、大能量納秒脈衝(chong) 激光器，以及能產(chan) 生相對論等離子體(ti) 的超短、超強皮秒和飛秒激光器，可以提供高能量密度物理研究的重要實驗條件。它們(men) 不僅(jin) 對ICF研究，而且對建立地球上天體(ti) 物理模擬實驗室、推動超高能精致台式加速器研究、地幔特性和成礦機理研究、超高能核物理研究等都具有十分重要意義(yi) 。

　　賀賢土還指出，高能量密度物理是目前國際上快速發展的新興(xing) 學科。在我國，北京大學應用物理與(yu) 計算研究中心在這一領域中重點開展了以下五個(ge) 方麵的研究：一是高能量密度狀態下物質的特性，尤其是溫稠密物質的研究；二是強場作用下原子的電離；三是強場下帶電粒子加速研究；四是可壓縮流體(ti) 湍流與(yu) 流體(ti) 力學不穩定性研究；五是相關(guan) 數學模型研究和計算機程序開發，目前已獲得了大量有國際影響的成果。今年10月北京大學應用物理與(yu) 計算研究中心還將主持召開高能量密度物理國際會(hui) 議，國際上很多這一領域的著名科學家將來華參加這一盛會(hui) ，進行學術交流和討論合作研究。