加热到极端温度的物质的超快熔化动力学

仅持续飞秒 (10 -15 秒) 的强激光脉冲可以产生通常在行星和恒星内部发现的极端物质状态。然而，传统的物理模型无法描述这种状态下的电子动力学。韩国光州科学技术研究所的科学家们现在已经探索了加热到超过20,000 K温度的铜电子的非平衡动力学，提出的发现可能为融合、激光切割和纳米外科手术打开新的大门。

普通物质在受到极端温度和压力(例如恒星和行星核心内部的温度和压力)时表现非常不同。凝聚态物理和等离子体物理的常规规则不适用于此类场景。特别是，被称为“暖致密物质”(WDM)的极端状态跨越了凝聚态物理和等离子体物理的边界。

有人可能认为这样的状态永远无法在陆地环境中创建。但事实上，只有飞秒(10 -15 秒，或万亿分之一秒)的短激光脉冲强度足以在实验室中重现这种条件!描述这种状态的传统物理模型通常假设被激光脉冲激发的电子在数十飞秒内达到平衡，而离子保持“冷”。然而，在这样做时，电子的非平衡动力学被完全忽略了。

为了探索极端条件下的这种非平衡动力学，由韩国光州科学技术学院副教授Byoung Ick Cho领导的一组研究人员研究了使用强激光脉冲产生的铜的波分复用状态。光脉冲激发产生了温度约为20,000 K的铜电子，这与巨行星核心的温度相似。然后，就在铜样品即将熔化时，研究人员使用来自 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 的超快 X 射线脉冲拍摄了电子快照。这使他们能够分析贵金属(例如铜)中发生的情况，当它们的键合电子被高度激发并且金属即将熔化时。研究结果发表在物理评论快报。

一个显着的观察结果是，当快速加热时，铜原子之间的键在熔化前首先硬化约万亿分之一秒(10 -12秒)。简而言之，样品在变成液体之前就凝固了!该团队在模拟的支持下进行了详细的理论分析，结果表明，虽然一些电子在如此高的温度下被激发到更高的能量，但一些电子对原子核的吸引力更强。“事实上，这种现象在大约十年前就已被预测到，但我们现在第一次设法直接观察到它， ”Cho 教授评论道。“这 可以提高我们对极端条件下非凡材料特性及其潜在机制的理解。"

这些发现可以应用于材料承受极高压力和温度的环境。“通过捕捉材料开始熔化或蒸发的精确时刻，我们可以产生新的物质或能量阶段，这与融合、激光加工甚至纳米外科等领域相关，” Cho 教授推测。

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