欧洲研究人员在极端条件下测量物质方面达到无与伦比的水平

欧洲 XFEL 的研究人员开发出一种创新方法，可以以前所未有的精度研究热致密物质。这种物质存在于凝聚态物质和等离子体物理之间，例如可以在天体物理物体中找到，也可以在惯性约束聚变过程中产生。

对于先进系统理解中心 (CASUS) 的科学家来说，这一进展对他们将热致密物质的分析提升到坚实基础的使命有很大帮助。这项研究发表在《物理评论 B》上。

研究天体物理物体是一项重大挑战。那里的条件极端：高温和巨大的密度。在地球上，惯性约束聚变舱在内爆阶段的研究也面临同样的情况。

在欧洲 XFEL 的高能量密度 (HED) 仪器上，可以使用 HiBEF 联盟(亥姆霍兹国际极端场光束线)提供的强大驱动器来准备这些条件。再加上欧洲 XFEL 明亮的 X 射线闪光，科学家现在可以比以往更仔细地研究这种奇异的物质状态。

温暖致密物质：一种特殊现象

我们通常认为地球上的物质以固态、液态或气态存在。在更远的太空中，也可以发现以等离子体形式存在的物质，其特征是热的电离气体。然而，在高温和度下，如恒星中或流星撞击行星时，物质很难被描述为固体或等离子体，而是被称为热致密物质。

温热致密物质的温度太高，无法用凝聚态物质的物理学来描述，密度又太高，无法用等离子体的物理学来描述。通常，温热致密物质的温度为 5,000 至数十万开尔文，压力为大气压力的数十万倍。

得益于超高分辨率 X 射线汤姆森散射的发现

由欧洲 XFEL HED 仪器的 Thomas Preston 领导的团队研究了周围铝中等离子体的结构和特性。等离子体是电子的集体振荡，对金属、半导体和热致密物质的光学特性起着决定性的作用。

研究固体和热致密物质中激发的一种重要方法是 X 射线汤姆逊散射。在此，X 射线光子在材料中散射，并在激发等离子体时损失能量和动量。借助光谱仪，科学家可以从弹性散射的 X 射线主束中识别出这些损失能量的光子。

与之前只能用分辨率低至几电子伏的X射线测量这些激发的工作不同，普雷斯顿的团队和来自德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR)以及HZDR研究所CASUS的科学家现在已经记录了超高分辨率X射线汤姆森散射谱，其能量分辨率提高了十倍以上，这意味着它们达到了不到一百毫电子伏的分辨率。

据研究小组报告，新装置能够详细研究铝中等离子体的结构和特性。

“我们意识到，我们可以重新利用现有的装置，该装置旨在对固体振动进行更高分辨率的测量，其能量损失比等离子体散射小得多，实际上只有几十毫电子伏，”普雷斯顿解释道。

“通过巧妙选择 X 射线能量，我们可以用类似的分辨率测量高达 40 电子伏的能量损失。我们测量的准确性使得消除模拟和实验观察之间长期存在的差异成为可能，”普雷斯顿说。

在未来的工作中，研究团队打算使用这种方法对更高温度和压缩下的等离子体模拟进行基准测试。

前景

“欧洲 XFEL 的这些令人兴奋的新功能让我们能够前所未有地深入了解极端条件下物质的行为，”由托拜厄斯·多恩海姆 (Tobias Dornheim) 领导的“计算量子多体理论前沿”青年研究员小组的主要作者托马斯·高恩 (Thomas Gawne) 解释道。

Dornheim 计划让 X 射线汤姆森散射评估不再局限于少数多体系统模拟专家。如果他成功了，欧洲 XFEL 和其他地方的激光物理学家就能以比现在更有针对性的方式设计他们的实验。

托马斯·普雷斯顿强调了与理论团体合作的可能性，特别是与 CASUS 科学家合作的可能性，他说：“CASUS 和 HZDR 的尖端理论与欧洲 XFEL 的 HED 仪器的先进实验的独特结合为科学开辟了全新的可能性。测量和模拟之间的关系对于推动和指导令人兴奋的新实验至关重要。”

对他来说，这次联合努力不仅对天体物理物体中温暖致密物质条件的研究有意义，而且对惯性约束聚变的研究也有意义，惯性约束聚变是一种基于核聚变反应的有前途的发电途径，最终可能成为一种气候友好且几乎取之不尽的能源。

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