利用自由電子雷射對液態碳進行表徵

江蘇雷射聯盟導讀：

金剛石、石墨以及鑽石、石墨烯都是碳的固體常見的表現形式，另外一個就是氣態的形式，液態的碳可能你沒有聽說過。這不，研究人員採用自由電子雷射器不僅實現了液碳的樣品製備，可以實現對液態的碳進行表徵，這對完碳善相圖非常有意義。

從常見的煙塵到珍稀的鑽石，碳以多種方式為大家所熟悉，但大家對碳可以說既熟悉又陌生，因為對碳的一瞥，可以說，很少有人對碳的液態有所了解。在 FERMI的研究人員採用自由電子雷射光源，不僅可以獲得液態的碳樣品，同時還可以對其結構進行表徵，追蹤碳樣品在熔化的時候其電子鍵合和原子坐標的超快排列。據我們所知，這是固態物質中最快的結構變化。

自由電子雷射裝置首次利用飛秒泵浦-探測脈衝進行液態碳的表徵

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。儘管碳具有隨處可見的特點和在科學的很多方面，人們對其非常感興趣，如從探測器到太陽能電池到量子計算和航空火箭的保護系統，都有碳的身影，但關於其相圖的相關知識依然不完整。比較典型的就是，只要碳不再能夠承受熱的時候，就會直接變成氣體。對於其他材料來說，可以通過高壓來阻礙樣品在高溫的時候直接進入氣體狀態，但這經常是對金剛石來說採用這樣的操作，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染色獲得的Ｘ射線自由電子雷射的纖維衍射

來自FERMI研究機構的研究人會員利用飛秒泵浦的探測系統，利用泵浦雷射和非晶碳樣品來沉積高能載荷，在探測雷射的自由電子脈衝僅僅只有幾百飛秒時間內，測量樣品的X射線吸收的光譜。儘管以前的研究也有在系統動力學尺度範圍內使用雷射加熱液態碳的相關報導。

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SP2類的電子鍵合所主導，而每一個碳原子與三個其他的原子結合，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現。這是因為此時，幾乎沒有時間通過聲子來進行熱化。因此，立即由於改變的鍵能造成靜電位變化，遵循從平面到成串的調整原子排列。以前從來沒有觀察到如此快的超快躍遷。

該實驗同時通過一系列的第一原理計算來進行系統動力學的模擬。他們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系統中的相互作用強度為17×1018 Wm 3K 1。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，對今後的模擬非常有幫助。

依據聲子強度每探測器像素的E型大腸桿菌1型菌毛染色Ｘ射線自由電子的纖維衍射

碳的內層電子可以吸收波長為4nm的雷射，在早先的實驗中使用臺式雷射器在可見光波長的條件下只能測量反射的強度。由於實驗過程中產生等離子體，這會導致反射的激增。樣品會在這些測量手段下保持為本質上不透明的物體。FERMI 的研究人員採用自由電子雷射器的4nm的雷射脈衝，研究人員可以測量內層電子的吸收光譜，並且得到一個清晰的觀點，就是其結構和鍵合是如何受到泵浦脈衝的影響的。當你將電子帶入連續體的狀態的時候，電子開始在其周圍呈現。這也是當電子被激發的時候採用Ｘ射線吸收進行工作的優點，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的裝置還有一個顯著獨特的優點就是其時間上的解析度。自由電子雷射可以從電子聚束的加速到產生的相對論速度之間的過程中均可以產生輻射。電子聚束和波蕩器的相互作用，二極磁鐵的周期序列，就會放大其輻射，從而產生極端明亮的雷射源。在FERMI，桌面雷射器播下自由電子雷射，這使得研究人員可以同步泵浦和在７飛秒的時間內是實現探測脈衝，同自由電子雷射裝置相比，自由電子雷射的時間為大約２００飛秒。樣品開始熱化並進而向氣體轉變。這一部分在不到皮秒的一半時間內就結束了。

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。理解碳系統在極端溫度和壓力下的行為，可以為天體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，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。

據江蘇雷射聯盟了解到：新型自由電子雷射x射線探測器 ePix10K，每秒可獲1000張圖像同步輻射與自由電子雷射通常都用於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。

SLAC的直線加速器相干光源（LCLS）x射線雷射器上安裝了一個16模塊，220萬像素的ePix10K x射線探測器

我國的硬X射線自由電子雷射裝置的建設選址位於張江科學城內，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，將成為世界上最高效和最先進的自由電子雷射用戶裝置之一，為物理、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臺，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。

建設內容包括一臺能量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個實驗站。總裝置長度3110米，隧道埋深29米。

X射線自由電子雷射裝置觀察的圖片

2018年4月27日，工程正式開工建設，建安工程全面展開。在上海市市級重大專項的支持下，項目重大關鍵技術已經基本完成樣機研製方案與設計評審。