跳动城乡网欧洲 XFEL 的实验产生的物质状态与行星内部或惯性聚变反应堆内爆舱中发生的物质状态非常接近。同时，它们还开辟了测量超短现象的方法。
探索包括地球在内的行星内部或聚变反应过程中的极端条件是一项重大挑战。通过将欧洲 XFEL 的超强 X 射线激光聚焦在铜箔上，研究人员创造并研究了一种远离平衡的物质状态，称为热致密物质(WDM)，类似于这种奇异的环境。
他们的发现在理解和描述这种难以捉摸的物质状态方面取得了重大进展，这对于推进惯性约束聚变至关重要，而惯性约束聚变有望带来清洁而丰富的能源。这项研究发表在《自然物理学》杂志上。
热量可以彻底改变物质的状态。根据温度，物质会变成固体、液体或气体。在一定的温度范围内，物质还会呈现一种称为热致密物质 (WDM) 的状态：这种物质太热，无法用凝聚态物理学来描述，但同时又太致密，无法用弱耦合等离子体物理学来描述。
温暖致密物质与其他物质状态之间的界限并没有精确定义。通常，5,000 开尔文至 100,000 开尔文的温度范围是在数十万巴的压力下指定的，其中一巴对应于地球表面的气压。
WDM 在我们的日常环境中并不稳定，而且在实验室中很难产生甚至检验。通常，科学家在金刚石砧座中压缩样品以达到高压，或使用强大的光学激光在极短的时间内将固体转化为 WDM。
欧洲 XFEL 的强 X 射线脉冲现已被证明是一种非常有用的工具，可用于生成和分析热致密物质。研究人员使用铜作为样品材料。“脉冲的高强度可以激发铜箔中的电子，使其切换到热致密物质的状态，”领导该实验的 S 仪器科学家 Laurent Mercadier 解释说。“这可以从其光传输的变化中看出。”
如果金属中的电子吸收 X 射线能量的速度非常快，以致没有电子可以激发，那么被强 X 射线脉冲照射的金属就会变得透明。脉冲的剩余尾部可以不受阻碍地穿透材料。这被称为饱和吸收 (SA)。
相反，如果脉冲前端产生的激发态吸收系数高于冷金属，金属就会变得越来越不透明。脉冲尾部随后被吸收得更强，这种效应称为反向饱和吸收 (RSA)。这两种过程通常用于光学领域，例如，用激光产生特定的脉冲长度。
欧洲 XFEL 的研究人员现已将聚焦良好的 15 飞秒长 X 射线脉冲照射到厚度为 100 纳米的铜膜上。然后他们使用光谱仪分析了传输的信号。
Mercadier 解释道： “光谱很大程度上取决于 X 射线脉冲的强度。在低至中等强度的 X 射线下，铜对 X 射线束变得越来越不透明，并表现出 RSA。然而，在更高的强度下，吸收饱和，箔变得透明。”
这些剧烈的不透明度变化发生得如此之快，以至于金属中的原子核没有时间移动。“我们处理的是一种非常奇特的物质状态，晶格是冷的，而一些电离电子是热的，与金属中剩余的自由电子不平衡，”Mercadier 解释道。
“为了解释这一点，我们开发了一种结合固态和等离子体物理学的理论。”对于研究人员来说，不透明度的变化表明他们已成功在实验室中创建和表征温暖致密物质。
了解这些极端条件下材料的不透明度对于惯性约束聚变至关重要。在惯性约束聚变中，强能量用于压缩和加热燃料靶，从而为聚变创造必要条件。不透明度决定了有多少辐射能量被材料吸收或传输，这对于确保用于压缩的能量不会泄漏至关重要，从而实现高效的聚变反应。
短还不够短
“实际上，这些效应发生得如此之快，以至于我们需要更短的 X 射线脉冲才能完全解析电子动力学，”S 仪器首席科学家 Andreas Scherz 说道。“最近，欧洲 XFEL 展示了产生阿秒脉冲的能力，从而为所谓的阿秒物理学打开了一扇大门。”
利用阿秒 X 射线脉冲，人们可以精确地“拍摄”热致密物质形成过程中或化学反应过程中电子的运动，从而显著提高我们对化学过程或催化剂功能等的理解。
2023年诺贝尔物理学奖分别授予法裔瑞典物理学家安妮·吕利耶(Anne L'Huillier)、匈牙利裔奥地利物理学家费伦茨·克劳什(Ferenc Krausz)和法裔美国物理学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)，表明这是一个极具现实意义的研究课题。
