研究人员首次能够通过实验测量液态碳。他们将高功率激光器与欧洲 XFEL 的超短 X 射线激光闪光灯相结合。

研究人员在欧洲 XFEL 完成了一项开创性的实验。

由罗斯托克大学和亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心 （HZDR） 领导的国际科学家团队着手研究极端压力下的物质。2023年，他们首次在欧洲XFEL上使用了高功率DIPOLE 100-X激光器，取得了显著的成果。他们的开创性实验成功地捕捉了液态碳的行为，这是一项前所未有的壮举，正如《自然》杂志所报道的那样。

液态碳天然存在于行星内部，可能在核聚变等未来能源技术中发挥至关重要的作用。然而，直到现在，研究人员对这种难以捉摸的状态知之甚少。挑战在于碳在正常条件下不会熔化。相反，它完全绕过液相并直接变成气体。

为了转化为液体，碳需要极高的压力和约 4,500 摄氏度的温度，这是所有已知材料中最高的熔点。长期以来，在实验室环境中容纳此类条件一直是不可能的，因为没有物理容器能够经受住这些条件。

激光压缩提供了突破。通过提供强烈、短暂的能量爆发，DIPOLE 100-X 激光器能够在几分之一秒内将固体碳转化为液体。真正的挑战是在转瞬即逝的时刻捕获数据。得益于位于汉堡附近谢内费尔德的世界上最强大的 X 射线激光器欧洲 XFEL 的独特功能，研究人员终于能够进行这些测量。其超短的 X 射线脉冲使得实时探测液态成为可能，将曾经难以想象的实验变成了现实。

这种组合中的独特测量技术

欧洲 XFEL 与高性能激光 DIPOLE100-X 的独特组合对于实验的成功至关重要。它由英国科学技术设施委员会开发，并由 HIBEF 用户联盟（亥姆霍兹国际极限场光束线）提供给世界各地的科学家。欧洲 XFEL HED-HIBEF（高能量密度）实验站的领先国际研究机构社区现已首次将强大的激光压缩与超快 X 射线分析和大面积 X 射线探测器相结合。

在实验中，DIPOLE100-X激光的高能脉冲驱动压缩波穿过固体碳样品，使材料液化纳秒，即十亿分之一秒。在这纳秒内，样品被欧洲 XFEL 的超短 X 射线激光闪光照射。碳原子散射 X 射线——类似于光栅衍射光的方式。衍射图案允许推断液态碳中原子的当前排列。

整个实验只持续几秒钟，但重复了很多次：每次的 X 射线脉冲略有延迟或压力和温度条件略有不同。许多快照组合在一起可以制作一部电影。因此，研究人员能够一步一步地追踪从固相到液相的转变。

测定水状结构和精确熔点

测量结果表明，液态碳的体系学各有四个最近邻，与固体金刚石相似。“这是我们第一次能够通过实验观察液态碳的结构。我们的实验证实了液态碳的复杂模拟所做的预测。我们正在研究一种复杂的液体形式，类似于水，它具有非常特殊的结构特性，“该研究合作的碳工作组负责人、罗斯托克大学和 HZDR 的 Dominik Kraus 教授解释道。

研究人员还设法精确地缩小了熔点。到目前为止，关于结构和熔点的理论预测已经存在很大分歧。但精确的知识对于行星建模和通过核聚变发电的某些概念至关重要。

正如 HED 小组负责人 Ulf Zastrau 博士所强调的那样，欧洲 XFEL 的第一个偶极子实验也开创了测量高压下物质的新时代，“我们现在拥有了一个工具箱，可以在高度奇特的条件下以令人难以置信的细节表征物质。而且这个实验的潜力还远未耗尽。未来，目前需要几个小时的实验时间可以在几秒钟内获得结果——只要复杂的自动控制和数据处理工作得足够快。