一項非接觸實驗揭示了物質(zhì)在恒星級高溫下，隨著原子有序結(jié)構(gòu)瓦解，其導(dǎo)電性如何突然下降。

在恒星、巨行星甚至地核深處，物質(zhì)存在于一種奇特的中間態(tài)——既非固體，也非完全等離子體。這種被稱為"暖密物質(zhì)"的極端物質(zhì)形態(tài)，決定了行星磁場的產(chǎn)生方式與核聚變的演化過程。然而，盡管暖密物質(zhì)在宇宙中普遍存在，但由于其溫度甚至超過太陽表面且無法用傳統(tǒng)儀器接觸，它長期以來始終蒙著神秘面紗。

經(jīng)過近十年的努力，一個研究團隊終于找到了一種無需接觸即可直接測量其關(guān)鍵性質(zhì)——電導(dǎo)率——的方法。這一突破為探索以往實驗無法觸及的極端環(huán)境開辟了新途徑。

用光破解高溫帶來的難題

此前，科學(xué)家只能估算暖密物質(zhì)的導(dǎo)電能力。傳統(tǒng)方法需要將導(dǎo)線或探針物理連接至材料，但當(dāng)溫度飆升至數(shù)千度時，這種方法即刻失效。因此，物理學(xué)家對暖密物質(zhì)的認(rèn)知大多依賴于難以驗證的間接線索和理論模型。

該研究的作者們通過徹底避免接觸來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。他們不使用實體接觸材料，而是借助光來完成測量。

首先，研究人員取一片薄鋁樣本，用強激光將其急速加熱至約1萬開爾文（約為太陽表面溫度的兩倍）。此時鋁進入暖密物質(zhì)狀態(tài)。接下來的關(guān)鍵創(chuàng)新是：團隊向白熾化的樣本發(fā)射太赫茲輻射（一種波長極短的光）。這種光無需物理接觸即在鋁內(nèi)部誘導(dǎo)出電場。

通過精確測量材料對該電場的響應(yīng)，研究人員可直接計算出其電導(dǎo)率。資深作者西格弗里德·格蘭澤表示："這是迄今測量暖密物質(zhì)電導(dǎo)率最精確的技術(shù)。"

意外發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)電性兩次驟降

觀測結(jié)果令團隊驚訝。隨著鋁被加熱，其導(dǎo)電能力急劇下降——不是一次，而是兩次。第一次下降發(fā)生在材料從固態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榕芪镔|(zhì)時，這符合預(yù)期。但第二次下降此前從未被清晰觀測到。

為探究原因，研究人員利用美國能源部SLAC國家加速器實驗室的另一臺強大儀器，進行了超快電子衍射實驗。他們向樣本發(fā)射高能電子，在萬億分之一秒的時間尺度上捕捉鋁原子結(jié)構(gòu)的變化快照。測量顯示，第二次電導(dǎo)率下降發(fā)生在暖密鋁的原子結(jié)構(gòu)突然從有序排列轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序狀態(tài)時。

開啟極端物質(zhì)探索新時代

這種新型非接觸方法不僅解決了技術(shù)難題，更為物理學(xué)家提供了在極端條件下檢驗和完善物質(zhì)模型的可靠手段。此類模型對理解恒星、行星內(nèi)部及聚變能源至關(guān)重要。它有助于科學(xué)家更好地解釋地球磁場的生成機制，并優(yōu)化面臨類似極端條件的核聚變實驗設(shè)計。

當(dāng)然，該方法仍有局限。例如，目前僅在對相對簡單的金屬鋁上得到驗證。但團隊已計劃拓展研究。論文第一作者、斯坦福大學(xué)博士后研究員本杰明·奧福里-奧凱表示："我期待對更復(fù)雜的材料，以及地核相關(guān)材料（如鐵）進行此類測量。"

數(shù)十年來，暖密物質(zhì)一直是物理學(xué)家知其存在卻難以深入研究的存在。如今，光作為一種精確的非接觸探針，終于打破了這道屏障——首次將宇宙中最極端的環(huán)境納入實驗可及的范圍。

該研究發(fā)表于《自然·通訊》期刊。

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