物理学家们利用欧洲X射线自由电子激光装置（XFEL）在理解温暖而密集的物质方面取得了重大进展，观察到了它在强烈的X射线脉冲下的转化。
温密物质的特性直到最近才被人们所了解。现在，得益于X射线激光的使用，物理学家们正在越来越多地了解这种重要但仍神秘的物质状态。在欧洲X射线自由电子激光装置（European XFEL）上进行的温密物质中电离过程的首次综合观测结果已发表在最有声望的物理学杂志之一上。
研究温暖致密物质的挑战
在褐矮星或气态行星的内部，以及其他地方，有一种神秘的物质状态，其温度为数千度，密度很高，接近于固体。尽管它在宇宙中很常见，但在实验室中却很难产生和分析。
所谓“温暖致密物质”(WDM)状态实验研究的新时代始于十几年前，当时物理学家们研制出了首个自由电子X射线激光器。该类设备的佼佼者是长达3.4公里（2.1英里）的欧洲X射线自由电子激光装置。
最近在那里进行的一系列实验首次让人们观察到，在过程结束时，金属如何迅速转变为奇特的电离WDM状态，从而对X射线变得透明（非吸收）。包括克拉科夫波兰科学院核物理研究所（IFJ PAN）科学家在内的国际科学家团队取得的这一成果在《自然物理》杂志上发表的一篇论文中得到了讨论。
来自欧洲XFEL实验的详细洞察
X射线自由电子激光器 (XFELs) 用来生成持续仅飞秒（即十亿分之一秒的百万分之一）的高强度X射线脉冲。这些脉冲可以用来研究原子长度尺度下的物质结构，并跟踪极短时间尺度上的现象。汉堡市的欧洲XFEL是世界仅存的十几个此类设备之一，是与DESY研究中心合作建造的。
“在我们的欧洲 XFEL 实验中，我们使用不同、逐渐增强的强度，用持续 15 飞秒的 X 射线脉冲照射铜样品，”Beata Ziaja-Motyka 教授（IFJ PAN，DESY）介绍了这项实验。
这篇论文的第一作者、欧洲 X 射线自由电子激光 (European XFEL) 的洛朗·梅卡迪尔博士补充了一些物理细节：“当单个 X 射线激光脉冲到达材料时，它引起了强烈的电离。该过程中释放出的电子具有高温特性。在极端条件下，铜变成了温暖的致密物质状态。我们仔细记录了有多少辐射穿过物质，并据此推断出观测系统中电离的变化。”
模拟与实验突破
由齐亚贾-莫特卡教授自2004年起在DESY开发的BOLTZMANN SOLVER软件进行的模拟对解释测量结果特别有帮助。该工具用于模拟在波分复用器中，各个能级的电子占据情况随入射激光辐射强度的变化而发生的改变。
通过将实验数据与模拟结果进行对比，可以确定的是，当X射线强度足够高时，WDM（温暖致密物质）的原子会发生强烈的电离。由于这一现象，会出现新的能级，这些能级可以被激发的电子占据，从而使得WDM对于与这些新能级跃迁共振的光子变得不透明。这些状态先前已经通过光学激光器观察到，但是激光器的能量限制不允许对其进行更详细的研究。
现在，得益于欧洲X射线自由电子激光（XFEL），可以准确地描述它们对各种强度的X射线脉冲的响应。根据华盛顿大学（美国）的约书亚·卡斯博士（Dr. Joshua Kas）和汉堡DESY的安德烈·本尼迪克托维奇博士（Dr. Andrei Benediktovitch）对X射线吸收光谱的理论预测，进一步观察到，随着激光强度的增加，温暖而密集的物质首先变得不透明，然后在最高强度下对激光脉冲变得透明。
“在WDM中，‘透明度’的出现，即缺乏吸收，是WDM原子在足够高的X射线脉冲强度下高度电离的结果。实验中可用的X射线光子的能量变得太小，无法激发更多的电子。因此，这些光子根本不能被热稠密物质吸收，”齐亚贾-莫提卡教授解释说。
未来发展方向和实际应用
对温暖密集物质的性质以及其中发生的过程的认识不仅具有天体物理意义，而且具有实际的工程意义。在这种状态下的物质在某些类型的受控核聚变（ICF-惯性约束聚变）中起着重要作用，并且也出现在从轨道返回地球的航天器金属热防护罩的烧蚀过程中。
欧洲X射线自由电子激光 (XFEL) 的物理学家团队由汉堡大学DESY的Nina Rohringer教授领导，他们打算继续对宽禁带材料中的电子和电离过程及其动力学进行研究。波兰方面，该研究由波兰科学院核物理研究所共同资助。
参考：“由X射线自由电子激光产生的温暖致密物质的瞬态吸收”，作者：洛朗·梅尔卡迪耶、安德烈·本尼迪克托维奇、什佩拉·克鲁西奇、约书亚·J·卡斯、贾斯汀·施拉帕、马库斯·阿加克尔、罗伯特·卡利、朱塞佩·法齐奥、娜塔莉亚·格拉西莫娃、金永勇、洛伊克·勒·吉亚德尔、朱塞佩·梅丘里奥、谢尔盖·帕尔琴科、约翰·J·赖尔、扬-埃里克·鲁本森、斯维托扎尔·塞尔克兹、米哈尔·斯特兰斯基、马丁·泰希曼、钟殷、马特贾兹·齐特尼克、安德烈亚斯·谢尔茨、贝娅塔·齐亚贾和尼娜·罗林格，2024年7月29日，《自然·物理学》。DOI: 10.1038/s41567-024-02587-w
