金剛石、石墨以及鑽石、石墨烯都是碳的固體(ti) 表現形式，另外一個(ge) 就是 氣態的形式，液態的碳可能哈沒有聽說過。這不，研究人員采用自由電子激光器可以實現對液態的碳進行表征，這對完碳善相圖非常有意義(yi) 。

從(cong) 常見的煙塵到珍稀的鑽石，碳以多種方式為(wei) 大家所熟悉，但對碳可以說既熟悉又陌生，因為(wei) 對碳的一瞥，可以說，很少有人對碳的液態有所了解。在 FERMI的研究人員采用紫玉哦電子激光光源，不僅(jin) 可以獲得液態的碳樣品，同時還可以對其結構進行表征，追蹤碳樣品在熔化的時候其電子電子鍵合 和 原子坐標的超快排列。據我們(men) 所知，這是固態物質中最快的結構變化。

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-探測脈衝(chong) 進行液態碳的表征

自由電子激光裝置首次利用飛秒泵浦-探測脈衝(chong) 進行液態碳的表征

這一工作填補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的特點和在科學的很多方麵 ，人們(men) 對其非常感興(xing) 趣，如從(cong) 探測器到太陽能電池到量子計算和航空火箭的保護係統，都有碳的身影，但關(guan) 於(yu) 其相圖的相關(guan) 知識依然不完整。比較典型的就是，隻要碳不再能夠承受熱的時候，就會(hui) 直接變成氣體(ti) 。對於(yu) 其他材料來說，可以通過高壓來阻礙樣品在高溫的時候直接進入氣體(ti) 狀態，但這經常是對金剛石來說采用這樣的操作，比較精確的是這一元素在這一狀態開始熔化。

依據聲子強度每探測器像素的肌動蛋白絲(si) 染色獲得的Ｘ射線自由電子激光 的纖維衍射

來自 FERMI研究機構的研究人會(hui) 員利用飛秒泵浦的探測係統，利用泵浦激光和非晶碳樣品來沉積高能載荷，在探測激光的自由電子脈衝(chong) 僅(jin) 僅(jin) 隻有幾百飛秒時間內(nei) ，測量樣品的X射線吸收光譜的。盡管以前的研究也有在係統動力學尺度範圍內(nei) 使用激光加熱液態碳的相關(guan) 報道，

研究人員所看到的是原子的結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(wei) SP2類的電子鍵合所主導，而每一個(ge) 碳原子與(yu) 三個(ge) 其他的原子結合，形成緊密相互作用的碳原子平麵。這是非常令人驚奇的一件發現。這是因為(wei) 此時，幾乎沒有時間通過聲子來進行 熱化。因此，立即由於(yu) 改變的鍵能造成的靜電位變化，遵循從(cong) 平麵到成串的調整原子排列 。以前從(cong) 來沒有觀察到如此快的超快躍遷。

該實驗同時通過一係列的第一原理計算來進行係統動力學的模擬。他們(men) 發現模擬結果和實驗結果比較吻合，這是非常罕見的。尤其是這對這一類實驗，非常吻合是非常少見的。這一工作的理工研究可以指出溫度在達到高達14200k，此時電子和聲子在激發的碳係統中的相互作用強度為(wei) 17×1018 Wm3K1。這一參數量化了材料中的電子-聲子相互作用強度，在以前是非常困難的，對今後的模擬非常由幫助。

依據聲子強度每探測器像素的E型大腸杆菌1型菌毛染色Ｘ射線紫玉哦電子的纖維衍射

碳的內(nei) 層電子可以吸收波長為(wei) 4nm的激光，在早先的實驗中使用台式激光器在可見光波長的條件下隻能測量反射的強度。由於(yu) 實驗過程中產(chan) 生等離子體(ti) ，這會(hui) 導致反射的激增。樣品會(hui) 在這些測量手段下保持為(wei) 本質上不透明 的物體(ti) 。FERMI 的研究人員采用自由電子激光器的4nm的激光脈衝(chong) ，研究人員可以測量內(nei) 層電子的吸收光譜，並且得到一個(ge) 清晰的觀點，就是其結構和鍵合是如何受到泵浦脈衝(chong) 的影響的。當你將電子帶入 連續體(ti) 的狀態的時候，電子開始在其周圍呈現。這也是當電子被激發的時候采用Ｘ射線吸收進行工作的優(you) 點，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構，由此你可以獲得重要的結構信息。

設置在FERMI 的裝置還有一個(ge) 顯著獨特的優(you) 點就是其時間上的分辨率。自由電子激光可以從(cong) 電子聚束的加速到產(chan) 生的相對論速度 之間的過程中均可以產(chan) 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(hui) 放大其輻射，從(cong) 而產(chan) 生極端明亮的激光源。在 FERMI，桌麵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飛秒的時間內(nei) 是實現探測脈衝(chong) ，同自由電子激光裝置相比，自由電子激光的時間為(wei) 大約２００飛秒。樣品開始熱化並進而向氣體(ti) 轉變。這一部分在不到皮秒的一半時間內(nei) 就結束了。

依據聲子強度每探測器像素的 澱粉樣纖維著色的X射線自由電子的纖維衍射

這一研究結果填補了碳相圖研究的空白。理解碳係統在極端溫度和壓力下的行為(wei) ，可以為(wei) 天體(ti) 物理學的研究奠定基礎，如在最近開展的外行星中的碳基研究就是如此。在將來，研究人員也許可以應用同樣的的辦法來研究其他的碳同素異形體(ti) ，來研究不同的開始密度的影響，同時開可以研究其他的全部元素，如矽或鐵。

據江蘇激光聯盟了解到：新型自由電子激光x射線探測器 ePix10K，每秒可獲1000張圖像同步輻射與(yu) 自由電子激光通常都用於(yu) 研究自然界中一些肉眼無法觀察到的超快現象。這些裝置可產(chan) 生的超亮且超快的x射線，就像巨大的頻閃燈一樣，“凍結”了快速的運動，它們(men) 可以捕捉到分子、原子的動態影像，研究人員就能夠拍出清晰的快照，探究看不見的微觀世界的秘密，為(wei) 人類對自然的研究工程服務。美國能源部SLAC國家加速器實驗室開發出了新一代的x射線探測器ePix10K,新的探測器每秒最多可獲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，即每秒可發射數千次x射線。相比於(yu) 舊款ePix及其它探測器，ePix10K可以處理強度更高的x射線，同時靈敏度提高了3倍，且像素高達200萬(wan) 。

SLAC的直線加速器相幹光源（LCLS）x射線激光器上安裝了一個(ge) 16模塊，220萬(wan) 像素的ePix10K x射線探測器。

我國的硬X射線自由電子激光裝置的建設選址位於(yu) 張江科學城內(nei) ，是上海建設具有全球影響力的科創中心以及張江綜合性國家科學中心的核心創新項目。

裝置建成後，將成為(wei) 世界上最高效和最先進的自由電子激光用戶裝置之一，為(wei) 物理、化學、生命科學、材料科學、能源科學等多學科提供高分辨成像、超快過程探索、先進結構解析等尖端研究手段，形成獨具特色、多學科交叉的先進科學研究平台，打造具有全球影響力的光子科學中心和創新高地，推動我國光子科學實現由“跟隨”到“引領”的飛躍。

建設內(nei) 容包括一台能量8GeV吉電子伏特的超導直線加速器，可以覆蓋0.4到25千電子伏特光子能量範圍的3條波蕩器線、3條光學束線以及首批10個(ge) 實驗站。總裝置長度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，工程正式開工建設，建安工程全麵展開。在上海市市級重大專(zhuan) 項的支持下，項目重大關(guan) 鍵技術已經基本完成樣機研製方案與(yu) 設計評審。

文章來源：

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：1，Flowaligned, singleshot fiber diffraction using a femtosecond Xray freeelectron laser， 02 June 2017 https://doi.org/10.1002/cm.21378；2，儀(yi) 器信息網；3，上海科技大學