金剛石、石墨以及鉆石、石墨烯都是碳的固體表現(xiàn)形式，另外一個(gè)就是 氣態(tài)的形式，液態(tài)的碳可能哈沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)。這不，研究人員采用自由電子激光器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液態(tài)的碳進(jìn)行表征，這對(duì)完碳善相圖非常有意義。

從常見(jiàn)的煙塵到珍稀的鉆石，碳以多種方式為大家所熟悉，但對(duì)碳可以說(shuō)既熟悉又陌生，因?yàn)閷?duì)碳的一瞥，可以說(shuō)，很少有人對(duì)碳的液態(tài)有所了解。在 FERMI的研究人員采用紫玉哦電子激光光源，不僅可以獲得液態(tài)的碳樣品，同時(shí)還可以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，追蹤碳樣品在熔化的時(shí)候其電子電子鍵合 和 原子坐標(biāo)的超快排列。據(jù)我們所知，這是固態(tài)物質(zhì)中最快的結(jié)構(gòu)變化。

Femtosecond pump–probe pulses generate and characterize liquid carbon for the first time in an FEL facility

自由電子激光裝置首次利用飛秒泵浦-探測(cè)脈沖進(jìn)行液態(tài)碳的表征

自由電子激光裝置首次利用飛秒泵浦-探測(cè)脈沖進(jìn)行液態(tài)碳的表征

這一工作填補(bǔ)了元素相圖工作的空白，大部分的相在不同的溫度和壓力下存在缺失。盡管碳具有隨處可見(jiàn)的特點(diǎn)和在科學(xué)的很多方面 ，人們對(duì)其非常感興趣，如從探測(cè)器到太陽(yáng)能電池到量子計(jì)算和航空火箭的保護(hù)系統(tǒng)，都有碳的身影，但關(guān)于其相圖的相關(guān)知識(shí)依然不完整。比較典型的就是，只要碳不再能夠承受熱的時(shí)候，就會(huì)直接變成氣體。對(duì)于其他材料來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)高壓來(lái)阻礙樣品在高溫的時(shí)候直接進(jìn)入氣體狀態(tài)，但這經(jīng)常是對(duì)金剛石來(lái)說(shuō)采用這樣的操作，比較精確的是這一元素在這一狀態(tài)開(kāi)始熔化。

依據(jù)聲子強(qiáng)度每探測(cè)器像素的肌動(dòng)蛋白絲染色獲得的Ｘ射線自由電子激光 的纖維衍射

來(lái)自 FERMI研究機(jī)構(gòu)的研究人會(huì)員利用飛秒泵浦的探測(cè)系統(tǒng)，利用泵浦激光和非晶碳樣品來(lái)沉積高能載荷，在探測(cè)激光的自由電子脈沖僅僅只有幾百飛秒時(shí)間內(nèi)，測(cè)量樣品的X射線吸收光譜的。盡管以前的研究也有在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)尺度范圍內(nèi)使用激光加熱液態(tài)碳的相關(guān)報(bào)道，

研究人員所看到的是原子的結(jié)合和排列的顯著變化。非晶碳主要由石墨和石墨烯中一種稱之為SP2類的電子鍵合所主導(dǎo)，而每一個(gè)碳原子與三個(gè)其他的原子結(jié)合，形成緊密相互作用的碳原子平面。這是非常令人驚奇的一件發(fā)現(xiàn)。這是因?yàn)榇藭r(shí)，幾乎沒(méi)有時(shí)間通過(guò)聲子來(lái)進(jìn)行 熱化。因此，立即由于改變的鍵能造成的靜電位變化，遵循從平面到成串的調(diào)整原子排列 。以前從來(lái)沒(méi)有觀察到如此快的超快躍遷。

該實(shí)驗(yàn)同時(shí)通過(guò)一系列的第一原理計(jì)算來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的模擬。他們發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，這是非常罕見(jiàn)的。尤其是這對(duì)這一類實(shí)驗(yàn)，非常吻合是非常少見(jiàn)的。這一工作的理工研究可以指出溫度在達(dá)到高達(dá)14200k，此時(shí)電子和聲子在激發(fā)的碳系統(tǒng)中的相互作用強(qiáng)度為17×1018 Wm3K1。這一參數(shù)量化了材料中的電子-聲子相互作用強(qiáng)度，在以前是非常困難的，對(duì)今后的模擬非常由幫助。

依據(jù)聲子強(qiáng)度每探測(cè)器像素的E型大腸桿菌1型菌毛染色Ｘ射線紫玉哦電子的纖維衍射

碳的內(nèi)層電子可以吸收波長(zhǎng)為4nm的激光，在早先的實(shí)驗(yàn)中使用臺(tái)式激光器在可見(jiàn)光波長(zhǎng)的條件下只能測(cè)量反射的強(qiáng)度。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生等離子體，這會(huì)導(dǎo)致反射的激增。樣品會(huì)在這些測(cè)量手段下保持為本質(zhì)上不透明 的物體。FERMI 的研究人員采用自由電子激光器的4nm的激光脈沖，研究人員可以測(cè)量?jī)?nèi)層電子的吸收光譜，并且得到一個(gè)清晰的觀點(diǎn)，就是其結(jié)構(gòu)和鍵合是如何受到泵浦脈沖的影響的。當(dāng)你將電子帶入 連續(xù)體的狀態(tài)的時(shí)候，電子開(kāi)始在其周?chē)尸F(xiàn)。這也是當(dāng)電子被激發(fā)的時(shí)候采用Ｘ射線吸收進(jìn)行工作的優(yōu)點(diǎn)，同反射光譜剛好相反。這也正好告訴你局部的形狀和局部的結(jié)構(gòu)，由此你可以獲得重要的結(jié)構(gòu)信息。

設(shè)置在FERMI 的裝置還有一個(gè)顯著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)就是其時(shí)間上的分辨率。自由電子激光可以從電子聚束的加速到產(chǎn)生的相對(duì)論速度 之間的過(guò)程中均可以產(chǎn)生輻射。電子聚束和波蕩器的相互作用，二極磁鐵的周期序列，就會(huì)放大其輻射，從而產(chǎn)生極端明亮的激光源。在 FERMI，桌面激光器播下自由電子激光，這使得研究人員可以同步泵浦和在７飛秒的時(shí)間內(nèi)是實(shí)現(xiàn)探測(cè)脈沖，同自由電子激光裝置相比，自由電子激光的時(shí)間為大約２００飛秒。樣品開(kāi)始熱化并進(jìn)而向氣體轉(zhuǎn)變。這一部分在不到皮秒的一半時(shí)間內(nèi)就結(jié)束了。

依據(jù)聲子強(qiáng)度每探測(cè)器像素的 淀粉樣纖維著色的X射線自由電子的纖維衍射

這一研究結(jié)果填補(bǔ)了碳相圖研究的空白。理解碳系統(tǒng)在極端溫度和壓力下的行為，可以為天體物理學(xué)的研究奠定基礎(chǔ)，如在最近開(kāi)展的外行星中的碳基研究就是如此。在將來(lái)，研究人員也許可以應(yīng)用同樣的的辦法來(lái)研究其他的碳同素異形體，來(lái)研究不同的開(kāi)始密度的影響，同時(shí)開(kāi)可以研究其他的全部元素，如硅或鐵。

據(jù)江蘇激光聯(lián)盟了解到：新型自由電子激光x射線探測(cè)器 ePix10K，每秒可獲1000張圖像同步輻射與自由電子激光通常都用于研究自然界中一些肉眼無(wú)法觀察到的超快現(xiàn)象。這些裝置可產(chǎn)生的超亮且超快的x射線，就像巨大的頻閃燈一樣，“凍結(jié)”了快速的運(yùn)動(dòng)，它們可以捕捉到分子、原子的動(dòng)態(tài)影像，研究人員就能夠拍出清晰的快照，探究看不見(jiàn)的微觀世界的秘密，為人類對(duì)自然的研究工程服務(wù)。美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了新一代的x射線探測(cè)器ePix10K,新的探測(cè)器每秒最多可獲1000張圖像，速度約是上一代的10倍。這大大提高了光源的有效利用率，即每秒可發(fā)射數(shù)千次x射線。相比于舊款ePix及其它探測(cè)器，ePix10K可以處理強(qiáng)度更高的x射線，同時(shí)靈敏度提高了3倍，且像素高達(dá)200萬(wàn)。

SLAC的直線加速器相干光源（LCLS）x射線激光器上安裝了一個(gè)16模塊，220萬(wàn)像素的ePix10K x射線探測(cè)器。

我國(guó)的硬X射線自由電子激光裝置的建設(shè)選址位于張江科學(xué)城內(nèi)，是上海建設(shè)具有全球影響力的科創(chuàng)中心以及張江綜合性國(guó)家科學(xué)中心的核心創(chuàng)新項(xiàng)目。

裝置建成后，將成為世界上最高效和最先進(jìn)的自由電子激光用戶裝置之一，為物理、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等多學(xué)科提供高分辨成像、超快過(guò)程探索、先進(jìn)結(jié)構(gòu)解析等尖端研究手段，形成獨(dú)具特色、多學(xué)科交叉的先進(jìn)科學(xué)研究平臺(tái)，打造具有全球影響力的光子科學(xué)中心和創(chuàng)新高地，推動(dòng)我國(guó)光子科學(xué)實(shí)現(xiàn)由“跟隨”到“引領(lǐng)”的飛躍。

建設(shè)內(nèi)容包括一臺(tái)能量8GeV吉電子伏特的超導(dǎo)直線加速器，可以覆蓋0.4到25千電子伏特光子能量范圍的3條波蕩器線、3條光學(xué)束線以及首批10個(gè)實(shí)驗(yàn)站。總裝置長(zhǎng)度3110米，隧道埋深29米。

X射線自由電子激光裝置觀察的圖片

2018年4月27日，工程正式開(kāi)工建設(shè)，建安工程全面展開(kāi)。在上海市市級(jí)重大專項(xiàng)的支持下，項(xiàng)目重大關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)基本完成樣機(jī)研制方案與設(shè)計(jì)評(píng)審。

文章來(lái)源：

E. Principi et al., Atomic and Electronic Structure of Solid-Density Liquid Carbon, Physical Review Letters (2020). journals.aps.org/prl/accepted/ … 2c91d808d8582fb32caf

參考文獻(xiàn)：1，F(xiàn)lowaligned, singleshot fiber diffraction using a femtosecond Xray freeelectron laser， 02 June 2017 https://doi.org/10.1002/cm.21378；2，儀器信息網(wǎng)；3，上?？萍即髮W(xué)