這三種經(jīng)典的物理狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）在任何普通的廚房里都可以觀察到，比如當你把冰塊燒開的時候。

但是如果你進一步加熱物質(zhì)，使一種物質(zhì)的原子碰撞，電子與它們分離，那么就會達到另一種狀態(tài)：等離子體。太空中99%以上的物質(zhì)都以這種形式存在，比如恒星內(nèi)部。因此，物理學家熱衷于研究這種材料也就不足為奇了。

不幸的是，由于各種原因，利用恒星內(nèi)部的高溫高壓在地球上創(chuàng)造和研究等離子體極具挑戰(zhàn)性。耶拿弗里德里希席勒大學(Friedrich Schiller University)物理學家們現(xiàn)在已經(jīng)成功地解決了其中的一些問題，其研究成果發(fā)表在著名研究期刊《物理評論X》(Physical Review X)上。

納米線使光穿透

“要以等離子體形成的方式加熱材料，需要相應的高能量。通常用大型激光器的光來做這件事，然而，這種光的脈沖必須非常短，因此當達到適當?shù)臏囟葧r，這種材料不會立即膨脹，而是在短時間內(nèi)以高密度等離子體的形式聚集在一起。不過，這種實驗設置存在一個問題：當激光束擊中樣品時，就會產(chǎn)生等離子體。

然而，它幾乎立刻就像一面鏡子，反射了大部分進入的能量，因此不能完全穿透物質(zhì)。激光脈沖的波長越長，問題就越嚴重。為了避免這種鏡像效應，耶拿研究人員使用了硅線制成的樣品。這種線的直徑（幾百納米）比入射光的波長(約4微米)還要小。也是第一個使用如此長波長的激光來產(chǎn)生等離子體。

光穿透樣品中的電線并從各個方向加熱它們，因此在幾皮秒內(nèi)，產(chǎn)生的等離子體體積比反射激光時要大得多。大約70%的能量能夠穿透樣品。此外，由于激光脈沖較短，受熱材料在膨脹之前存在的時間略長。最后，利用x射線光譜學，研究人員可以檢索有關材料狀態(tài)有價值的信息。

溫度和密度的最大值

用該方法，有可能在實驗室中實現(xiàn)溫度和密度的新最大值。例如，等離子體的溫度約為1000萬開爾文，比太陽表面的物質(zhì)要熱得多。Spielmann還提到了項目中的合作伙伴。在激光實驗中，耶拿科學家們使用了維也納理工大學的一個設備；樣品來自德國布倫斯威格國家計量研究所；計算機模擬證實了來自達姆施塔特和杜塞爾多夫同事們的發(fā)現(xiàn)。耶拿團隊研究成果是突破性的成功，為等離子體研究提供了一種全新的方法。

等離子體態(tài)的理論可以通過實驗和隨后的計算機模擬得到驗證。這將使研究人員更好地理解宇宙過程。此外，科學家們正在為安裝大型儀器進行有價值的準備工作。例如，國際粒子加速器，反質(zhì)子和離子研究設施(FAIR)，目前正在達姆施塔特建設中，應該在2025年左右投入使用。有了新的資料，將有可能選擇值得仔細探測的具體領域。

博科園｜研究/來自：弗里德里希·席勒大學

參考期刊《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.021029

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