Observation of Thermal Deuteron-Deuteron Fusion in Ion Tracks
本文报告了在低能条件下对 ZrD2 靶材中热中子氘-氘聚变的观测，并将异常高的反应产率归因于由晶格缺陷增强的电子屏蔽作用，以及一个涉及产生局部高温区域的离子径迹理论模型。
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在恒星的核心深处以及像木星这样的巨行星内部，原子被以极高的强度挤压在一起，从而发生聚变，释放出让这些天体发光发热的能量。在地球上，科学家们长期以来一直试图在实验室中复制这一过程，但这项任务极其困难。原子核带有正电荷，天生会相互排斥，就像两个强大的磁铁互相推开一样。为了让它们发生聚变，必须以极高的速度将它们撞击在一起，以克服这种排斥力，而这通常需要数百万度的高温。然而，在行星内部那种致密且相对低温的环境中，原子的运动速度要慢得多，按理说聚变是不可能发生的。不过，物质世界中存在一种微妙的力量可能会改变这一图景：金属中的周围电子可以起到屏蔽作用，削弱原子核之间的排斥力，使它们即使在相对较低的温度下也能靠得足够近从而发生聚变。
几十年来，研究人员一直试图通过将氘（氢的一种重同位素）束射入金属靶来观察这种被称为“电子屏蔽”的现象。虽然之前的实验表明，随着束流减速，反应速率会有所增加，但从未有人成功观察到在真正的热能水平下发生的氘-氘聚变——即原子运动速度如同在温暖房间里那样缓慢时的状态。来自波兰的一支物理学家团队现在取得了关键性的进展，他们报告了首次直接观察到在这些热能速度下发生的氘-氘聚变。通过将氘离子射入锆、钛和钯块，他们发现了一种令人惊讶的新行为：在最低能量下，反应并没有如预期那样仅仅是减速并停止，而是进入了一个稳定的、恒定的速率，无论束流变得多么缓慢，该速率都持续存在。
研究人员通过使用一套高度精密的加速器系统实现了这一目标，该系统能够将氘束减速至低至625电子伏特的能量水平，这种精度在以往此类实验中是无法达到的。他们轰击了饱和了氘原子的金属靶，并测量了原子核聚变时产生的质子。随着他们降低束流能量，聚变事件的数量急剧下降，遵循着由克服原子排斥力难度增加而产生的预测曲线。然而，一旦能量降至某个阈值以下，反应产率便不再下降。它趋于平缓，形成了一个平台，即一个稳定的、持续的聚变事件流，即使在入射粒子运动极其缓慢时，该过程仍在继续。
这个平台不仅仅是一条平滑的直线；它带有一种独特的特征，揭示了该事件的本质。在标准的聚变反应中，产生的质子会以由碰撞能量决定的特定速度飞出。但在这种低能平台期，探测到的质子能量明显高于缓慢移动的束流所应产生的能量。这表明，聚变并非发生在高速运动的束流与静止靶材之间，而是发生在彼此相对于彼此几乎静止的氘原子之间。反应是在一种热平衡状态下发生的，即原子核是由于金属内部产生的热量而非入射粒子的速度而发生聚变的。
为了解释这一现象如何发生，团队转向了一个涉及束流本身造成的微观损伤的模型。当高能离子撞击金属时，会产生一条细小的、圆柱形的剧烈热路径，称为“离子径迹”。在这个微观径迹内，温度骤升，导致金属晶格瞬间熔化，创造出一个极端热激发的区域。在这种熔融且高度激发的态下，被困在金属中的氘原子变得异常活跃，发生快速扩散并相互碰撞。研究人员发现，金属的性质起到了关键作用：允许氢在其间极易移动的钯，表现出的效应比锆或钛要强得多。这证实了氘原子在加热径迹中移动的难易程度是驱动聚变反应的关键因素。
该研究还强调了材料内部结构的重要性。所使用的金属含有微小的缺陷和杂质，这些杂质有助于捕捉电子，从而进一步增强了允许原子核靠近并发生聚变的屏蔽效应。在钛的情况下，这种效应非常显著，使得反应速率比没有这些效应时提高了一万倍。团队计算出，电子屏蔽、作为反应临时桥梁的氦核特定共振以及离子径迹内的高温，共同作用可以将聚变速率提升多个数量级。
这一发现并不意味着明天就能建造出一座新的发电厂，但它从根本上改变了我们对自然界中核聚变如何发生的理解。它表明，在那些温度远低于传统聚变所需温度的巨行星致密、阴凉的内部，类似的涉及电子屏蔽和局部加热的过程可能正在产生能量。这些发现也为实验室研究打开了一扇新的大门，表明通过精心选择材料并理解其微观行为，科学家可以创造出在热能水平下发生聚变的条件。这项工作为曾经被认为是不可能发生的现象提供了一个具体的解释，架起了冰冷、缓慢的金属原子与炽热的恒星核心之间的桥梁。
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