韩国光州科学技术院(GIST)研究人员近日开发出一种新型离子束优化方法，能够在保持固态密度的同时产生超高温状态，在高能量密度物理研究领域取得重要进展。
由物理与光子科学系方宇锡教授领导的研究团队引入了一种逆向设计方法，利用离子束对材料进行高度均匀和高效的加热。该研究重点在于生成"温稠密物质"(WDM)，这是一种介于固体和等离子体之间的极端物质状态，对于理解行星内部结构和核聚变燃料条件等环境至关重要。
高能离子束可在纳秒内将能量快速传递至材料深处并保持高密度，是聚变研究、先进材料科学和粒子医疗的重要工具。然而，传统离子束加热方法因"布拉格峰"现象导致能量集中在材料内部特定深度，温度分布不均匀。
为克服这一限制，研究团队开发了逆向工程方法，先确定所需加热条件，再计算实现这些条件所需的最佳离子能量分布。研究人员利用蒙特卡罗模拟和非负最小二乘优化技术，分析了不同能级的碳离子如何通过固态密度铝样品传递能量。
结果显示，优化后的离子束配置实现了99.1%的能量转移效率，加热不均匀性仅为0.55%。研究还证实，即使是能量分布相对较窄的准单能离子束也能获得类似的稳定均匀加热效果。该技术可产生超过10000开尔文的温度，超过太阳表面温度，同时保持固态密度，整个加热过程约在0.1纳秒内完成。
方宇锡教授表示，该研究表明可以根据所需加热条件通过计算设计出最佳离子能量分布，从而大幅减少重复实验和试错。该方法可为需要精确加热极高密度材料的科学和工业应用提供基础。
研究团队认为，该技术未来可应用于核聚变、高能量密度物理、行星科学和先进粒子束癌症治疗等领域。该研究由韩国科学技术信息通信部和韩国国家研究基金会资助，成果发表于国际学术期刊《国际传热传质通讯》。
