研究團隊通過高功率激光與XFEL的超快X射線技術(shù)相結(jié)合，首次捕捉到液態(tài)碳的微觀結(jié)構(gòu)(藝術(shù)圖)。圖片來源：HZDR

由德國羅斯托克大學(xué)和亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心(HZDR)領(lǐng)銜的國際科研團隊，在近日出版的《自然》雜志中刊發(fā)了一項重大突破：他們利用歐洲X射線自由電子激光裝置(XFEL)上的高性能激光器DIPOLE100-X，首次成功測量出液態(tài)碳的微觀結(jié)構(gòu)。

液態(tài)碳存在于行星內(nèi)部深處，同時在未來核聚變等技術(shù)中具有重要應(yīng)用前景。然而，由于研究條件極其苛刻，科學(xué)家對液態(tài)碳的認識一直非常有限。在常壓下，碳不會熔化，而是直接升華成氣態(tài);只有在約4500攝氏度和極端高壓下，碳才會液化，但常規(guī)實驗容器根本無法承受如此極端的環(huán)境。

激光壓縮技術(shù)可通過高能激光，在納秒量級時間內(nèi)將固體碳瞬間液化，但其挑戰(zhàn)在于如何在這個轉(zhuǎn)瞬即逝的液態(tài)瞬間展開測量。為此，研究團隊巧妙地將強大的激光壓縮技術(shù)、超快X射線分析技術(shù)以及大面積X射線探測三項尖端技術(shù)相結(jié)合。

實驗過程中，DIPOLE100-X激光器產(chǎn)生的高能脈沖驅(qū)動壓縮波穿過固體碳樣品，使材料在極短時間內(nèi)液化。就在這稍縱即逝的液態(tài)瞬間，XFEL裝置發(fā)出的超短X射線激光脈沖精準(zhǔn)照射樣品。通過分析碳原子發(fā)出的X射線的散射圖案(類似光通過光柵產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象)，研究團隊成功解析出液態(tài)碳的原子排列方式。

通過調(diào)節(jié)X射線脈沖的延遲時間，或改變壓力和溫度條件，研究團隊進行了多次實驗，從而獲得了大量實驗數(shù)據(jù)，并將無數(shù)張快照組合成一部“原子電影”。測量結(jié)果顯示，液態(tài)碳的微觀結(jié)構(gòu)與固態(tài)鉆石相似，每個碳原子周圍都有4個最近鄰原子。

研究團隊強調(diào)，最新研究不僅首次通過實驗揭開了液態(tài)碳的神秘面紗，驗證了理論模擬的預(yù)測，還精確測定了碳的熔點范圍。這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)對于行星內(nèi)部建模和核聚變技術(shù)研發(fā)都具有重要價值。最新研究也開創(chuàng)了極端條件下物質(zhì)研究的新紀元。