重新定义“耐热极限”：《自然》最新研究揭示材料如何在超高温下保持稳定

导言

在一项具有里程碑意义的研究中，科学家们成功将金加热到了远超其理论稳定极限的温度，而材料依然保持其固有的晶体结构。这项发表于2025年7月24日《自然》期刊的研究，通过使用超快激光脉冲，将金的温度提升至其熔点的14倍以上，直接挑战并改写了我们对物质在极端条件下稳定性的基本认知。该实验的核心成果在于，它证明了所谓的“熵灾变”理论预测的固态物质稳定性上限，在特定条件下可以被大幅超越。

熵灾变（entropy catastrophe）理论由科学家费希特（Fecht）和约翰逊（Johnson）于1988年提出。该理论预测，当一个过热晶体的熵（表示系统无序程度的物理量）增加到与其液态等同时，该晶体将达到其绝对的稳定性上限，并发生瞬时熔化。这个临界点通常出现在材料熔化温度（T_m）的三倍左右（3 T_m）。然而，由于在达到此极限之前，材料往往会因各种不稳定性而提前熔化，因此在实验上直接验证这一理论极限一直是个巨大的挑战。

而本研究团队利用前沿的实验技术，绕过了这些中间的不稳定过程，首次直接探索了这一终极稳定性边界。

实验方法：精确测量晶格温度

为了在原子尺度上追踪物质的变化，研究团队采用了高分辨率的非弹性X射线散射（inelastic X-ray scattering）技术，这是一种能够直接、精确且无需模型依赖地测量材料离子温度的强大工具。

图1 | 实验装置示意图

实验装置如图1 所示，其核心位于斯坦福直线加速器中心（SLAC）的“极端条件下的物质”（MEC）实验站。研究人员使用一股极强的光学激光脉冲（泵浦光）照射一片厚度仅为50纳米的金箔，以超过10¹⁵ K/s的惊人速率对其进行加热。几乎在同时，另一束能量精确校准的X射线激光脉冲（探测光）射向被加热的区域。

当X射线光子与金样品中的离子发生碰撞（散射）时，它们的能量会因为类似于多普勒频移的效应而发生微小改变。离子的运动速度越快（即温度越高），散射后X射线的能量分布就越宽（即光谱展宽）。通过一个高分辨率的X射线光谱仪精确测量这种展宽，科学家们就能直接计算出离子的平均动能，从而得到样品的真实晶格温度。

图2 | 方法示意与散射谱示例

图2 直观地展示了这种测量方法的原理。与未经加热的冷样品（图2a）相比，被激光加热后的样品（图2b）散射出的X射线表现出明显的能量展宽（图2c），这直接反映了其内部温度的急剧升高。

由LCLS（直线加速器相干光源）产生的X射线（探测光）经过一个四通道硅（533）单色器进行能量纯化，带宽收窄至32 meV。随后，这束X射线被用于探测由400纳米、50飞秒的光学激光（泵浦光）加热的50纳米厚金箔样品。探测信号主要由一个包含三个硅（533）晶体分析仪的高分辨率X射线光谱仪在约170°的背散射角收集。同时，一个大面积探测器用于记录金样品的（111）和（200）衍射环，以监测其晶体结构。

a, b, 分别展示了X射线光子从冷样品与热样品中散射的示意图。在热样品中，由于离子剧烈振动，散射光子会发生多普勒频移。c, 高分辨率X射线光谱仪收集到的能量分布。紫色曲线代表未经激光加热的冷样品，其展宽（FWHM = 44.7 meV）主要反映了仪器的固有分辨率。红色曲线代表在激光照射后3皮秒（ps）的热样品，其光谱显著展宽（FWHM = 121.6 meV），对应于高达19,000 K的离子温度。

惊人的结果：远超极限的超热固态金

通过精确控制加热激光与探测X射线之间的时间延迟，研究团队成功追踪了金箔在被加热后的温度演化过程。实验根据激光能量分为两种情况，对应两种不同的加热速率。

如 图3 所示，实验结果令人震惊：

- 在较低的加热速率下（3.5 x 10¹⁵ K/s），金的温度在几皮秒内被加热到约13,800 K，约为其正常熔点（1337 K）的10倍（图3a）。

- 在更高的加热速率下（6 x 10¹⁵ K/s），温度更是达到了约19,000 K，约为其熔点的14倍（图3b）。

最关键的是，在达到这些极端温度后的长达2至3皮秒的时间里，X射线衍射信号显示，样品的德拜-谢乐环依然清晰可见。这表明，即使在远超理论预测的3 T_m“熵灾变”极限（图中水平虚线所示）的温度下，金样品仍然保持着其固有的固态晶体结构，并未熔化。图中白色箭头明确指出了在观察到固态衍射信号时所达到的最高温度。

图3 | 离子温度随时间的演化

a, b, 分别展示了在两种不同激光通量（1.9 ± 0.5 J/cm² 和 4.9 ± 0.5 J/cm²）照射下，金箔的离子温度随时间的变化，对应的加热速率分别为3.5 x 10¹⁵ K/s和6 x 10¹⁵ K/s。数据点及其误差棒是通过自举重采样方法得到的。图中叠加的彩色背景显示了（111）和（200）衍射峰强度的演化，衍射峰的存在证明了材料仍处于固态。白色箭头标示了观察到固态衍射信号时的最高温度。水平虚线代表了先前理论预测的熔化极限（3 T_m）。显然，两种情况下超热固体的温度都远超过了该极限。

讨论：为何“熵灾变”没有发生？

这一颠覆性的发现引发了一个核心问题：为什么金可以在远超理论极限的温度下保持固态？答案在于加热过程的“速度”。

研究团队通过熵的计算（图4）揭示了其中的奥秘。熵灾变的原始理论（图4中浅蓝色虚线）在计算固态熵时，包含了由热膨胀引起的熵增。然而，在本研究的超快加热条件下（皮秒量级），加热过程是“等容”的，即原子还来不及发生宏观上的膨胀或烧蚀，整个晶格的体积几乎保持不变（这一点由衍射峰位置不发生偏移得到证实，见附图5）。

如果从固态熵的计算中移除膨胀项，得到的熵曲线（图4中深蓝色实线）在所有温度下都位于液态熵曲线（红色实线）之下。这意味着两条曲线的交叉点——即“熵灾变”点——实际上被消除了。只要加热足够快，使得材料来不及膨胀，那么熵灾变的限制就不再适用。

图4 | 过热金的熵计算

该图显示了固态金（蓝色）和液态金（红色）的熵随温度变化的计算结果。浅蓝色虚线代表同时考虑了晶格膨胀和电子热容贡献的固态熵，它在大约3 T_m处与液态熵相交，这是原始理论预测的极限。深蓝色实线则代表未考虑膨胀效应的固态熵（对应于本实验的超快等容加热），它在所有温度下都低于液态熵。图中的三角形和正方形标记点，分别代表了在低、高两种激光通量下，实验所测得的温度对应的熵值。显然，超快加热使得系统可以避免熵灾变。

结论与展望

这项研究通过直接的实验测量，清晰地证明了如果材料被加热得足够快，其固态的稳定性上限可以远超先前基于平衡态热力学所预测的“熵灾变”阈值。这不仅为我们理解物质在极端高能量密度条件下的行为提供了全新的视角，也对天体物理、材料科学以及高能激光与物质相互作用等领域具有深远的影响。它揭示了在超快时间尺度上，物质的行为规律可能与我们熟知的准静态世界大相径庭，为探索和创造具有前所未有特性的新物态开辟了新的道路。

选自微信公众号 热控大家说