研究團隊通過高功率激光與XFEL的超快X射線技術相結合，首次捕捉到液態碳的微觀結構(藝術圖)。圖片來源：HZDR

由德國羅斯托克大學和亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心(HZDR)領銜的國際科研團隊，在近日出版的《自然》雜志中刊發了一項重大突破：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碳的微觀結構。

液態碳存在于行星內部深處，同時在未來核聚變等技術中具有重要應用前景。然而，由于研究條件極其苛刻，科學家對液態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;只有在約4500攝氏度和極端高壓下，碳才會液化，但常規實驗容器根本無法承受如此極端的環境。

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

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

通過調節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據，并將無數張快照組合成一部“原子電影”。測量結果顯示，液態碳的微觀結構與固態鉆石相似，每個碳原子周圍都有4個最近鄰原子。

研究團隊強調，最新研究不僅首次通過實驗揭開了液態碳的神秘面紗，驗證了理論模擬的預測，還精確測定了碳的熔點范圍。這些關鍵數據對于行星內部建模和核聚變技術研發都具有重要價值。最新研究也開創了極端條件下物質研究的新紀元。