金刚石、石墨以及钻石、石墨烯都是碳的固体表现形式，另外一个就是 气态的形式，液态的碳可能哈没有听说过。这不，研究人员采用自由电子激光器可以实现对液态的碳进行表征，这对完碳善相图非常有意义。

从常见的烟尘到珍稀的钻石，碳以多种方式为大家所熟悉，但对碳可以说既熟悉又陌生，因为对碳的一瞥，可以说，很少有人对碳的液态有所了解。在 FERMI的研究人员采用紫玉哦电子激光光源，不仅可以获得液态的碳样品，同时还可以对其结构进行表征，追踪碳样品在熔化的时候其电子电子键合 和 原子坐标的超快排列。据我们所知，这是固态物质中最快的结构变化。

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

自由电子激光装置首次利用飞秒泵浦-探测脉冲进行液态碳的表征

自由电子激光装置首次利用飞秒泵浦-探测脉冲进行液态碳的表征

这一工作填补了元素相图工作的空白，大部分的相在不同的温度和压力下存在缺失。尽管碳具有随处可见的特点和在科学的很多方面 ，人们对其非常感兴趣，如从探测器到太阳能电池到量子计算和航空火箭的保护系统，都有碳的身影，但关于其相图的相关知识依然不完整。比较典型的就是，只要碳不再能够承受热的时候，就会直接变成气体。对于其他材料来说，可以通过高压来阻碍样品在高温的时候直接进入气体状态，但这经常是对金刚石来说采用这样的操作，比较精确的是这一元素在这一状态开始熔化。

依据声子强度每探测器像素的肌动蛋白丝染色获得的Ｘ射线自由电子激光 的纤维衍射

来自 FERMI研究机构的研究人会员利用飞秒泵浦的探测系统，利用泵浦激光和非晶碳样品来沉积高能载荷，在探测激光的自由电子脉冲仅仅只有几百飞秒时间内，测量样品的X射线吸收光谱的。尽管以前的研究也有在系统动力学尺度范围内使用激光加热液态碳的相关报道，

研究人员所看到的是原子的结合和排列的显著变化。非晶碳主要由石墨和石墨烯中一种称之为SP2类的电子键合所主导，而每一个碳原子与三个其他的原子结合，形成紧密相互作用的碳原子平面。这是非常令人惊奇的一件发现。这是因为此时，几乎没有时间通过声子来进行 热化。因此，立即由于改变的键能造成的静电位变化，遵循从平面到成串的调整原子排列 。以前从来没有观察到如此快的超快跃迁。

该实验同时通过一系列的第一原理计算来进行系统动力学的模拟。他们发现模拟结果和实验结果比较吻合，这是非常罕见的。尤其是这对这一类实验，非常吻合是非常少见的。这一工作的理工研究可以指出温度在达到高达14200k，此时电子和声子在激发的碳系统中的相互作用强度为17×1018 Wm3K1。这一参数量化了材料中的电子-声子相互作用强度，在以前是非常困难的，对今后的模拟非常由帮助。

依据声子强度每探测器像素的E型大肠杆菌1型菌毛染色Ｘ射线紫玉哦电子的纤维衍射

碳的内层电子可以吸收波长为4nm的激光，在早先的实验中使用台式激光器在可见光波长的条件下只能测量反射的强度。由于实验过程中产生等离子体，这会导致反射的激增。样品会在这些测量手段下保持为本质上不透明 的物体。FERMI 的研究人员采用自由电子激光器的4nm的激光脉冲，研究人员可以测量内层电子的吸收光谱，并且得到一个清晰的观点，就是其结构和键合是如何受到泵浦脉冲的影响的。当你将电子带入 连续体的状态的时候，电子开始在其周围呈现。这也是当电子被激发的时候采用Ｘ射线吸收进行工作的优点，同反射光谱刚好相反。这也正好告诉你局部的形状和局部的结构，由此你可以获得重要的结构信息。

设置在FERMI 的装置还有一个显著独特的优点就是其时间上的分辨率。自由电子激光可以从电子聚束的加速到产生的相对论速度 之间的过程中均可以产生辐射。电子聚束和波荡器的相互作用，二极磁铁的周期序列，就会放大其辐射，从而产生极端明亮的激光源。在 FERMI，桌面激光器播下自由电子激光，这使得研究人员可以同步泵浦和在７飞秒的时间内是实现探测脉冲，同自由电子激光装置相比，自由电子激光的时间为大约２００飞秒。样品开始热化并进而向气体转变。这一部分在不到皮秒的一半时间内就结束了。

依据声子强度每探测器像素的 淀粉样纤维着色的X射线自由电子的纤维衍射

这一研究结果填补了碳相图研究的空白。理解碳系统在极端温度和压力下的行为，可以为天体物理学的研究奠定基础，如在最近开展的外行星中的碳基研究就是如此。在将来，研究人员也许可以应用同样的的办法来研究其他的碳同素异形体，来研究不同的开始密度的影响，同时开可以研究其他的全部元素，如硅或铁。

据江苏激光联盟了解到：新型自由电子激光x射线探测器 ePix10K，每秒可获1000张图像同步辐射与自由电子激光通常都用于研究自然界中一些肉眼无法观察到的超快现象。这些装置可产生的超亮且超快的x射线，就像巨大的频闪灯一样，“冻结”了快速的运动，它们可以捕捉到分子、原子的动态影像，研究人员就能够拍出清晰的快照，探究看不见的微观世界的秘密，为人类对自然的研究工程服务。美国能源部SLAC国家加速器实验室开发出了新一代的x射线探测器ePix10K,新的探测器每秒最多可获1000张图像，速度约是上一代的10倍。这大大提高了光源的有效利用率，即每秒可发射数千次x射线。相比于旧款ePix及其它探测器，ePix10K可以处理强度更高的x射线，同时灵敏度提高了3倍，且像素高达200万。

SLAC的直线加速器相干光源（LCLS）x射线激光器上安装了一个16模块，220万像素的ePix10K x射线探测器。

我国的硬X射线自由电子激光装置的建设选址位于张江科学城内，是上海建设具有全球影响力的科创中心以及张江综合性国家科学中心的核心创新项目。

装置建成后，将成为世界上最高效和最先进的自由电子激光用户装置之一，为物理、化学、生命科学、材料科学、能源科学等多学科提供高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等尖端研究手段，形成独具特色、多学科交叉的先进科学研究平台，打造具有全球影响力的光子科学中心和创新高地，推动我国光子科学实现由“跟随”到“引领”的飞跃。

建设内容包括一台能量8GeV吉电子伏特的超导直线加速器，可以覆盖0.4到25千电子伏特光子能量范围的3条波荡器线、3条光学束线以及首批10个实验站。总装置长度3110米，隧道埋深29米。

X射线自由电子激光装置观察的图片

2018年4月27日，工程正式开工建设，建安工程全面展开。在上海市市级重大专项的支持下，项目重大关键技术已经基本完成样机研制方案与设计评审。

文章来源：

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

参考文献：1，Flowaligned, singleshot fiber diffraction using a femtosecond Xray freeelectron laser， 02 June 2017 https://doi.org/10.1002/cm.21378；2，仪器信息网；3，上海科技大学