攝氏十萬度僅需 0.1 皮秒!最新X光雷射研究堪稱史上最快熱水器

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Photo Credit:美國 SLAC 國家加速器實驗室

不到一眨眼的皮秒將水加熱到十萬度?當然,這和水分子晃動提高溫度所用的加熱方式不同。

近日,來自瑞典烏普薩拉大學與德國自由電子雷射科學中心 (CFEL) 的研究員將強大的 X 光雷射器變成了世界上速度最快的熱水器, 所運用到為美國 SLAC 國家加速器實驗室用直線加速器連貫光源(Linac Coherent Light Source)。

由於直線加速器連貫光源(LCLS)  波長極短,照射高密度固體的瞬間即可穿透。所發出的強烈 X 光亮度比任何其他雷射能量高出 10 億倍多。先前美國科學家曾利用此強大的 X 光雷射將鋁箔加熱至 200 萬度,用來探究核融合的過程。

在這次的實驗中,當高能 X 光撞擊水面時水經歷從液體到電漿的過程如下,首先 X 光會穿透分子,將電子剝離,抵消電荷平衡狀態。在一瞬間原子就會受到強烈的排斥力開始劇烈運動,電子從原子中去除,變成帶電氣體。而因為在極短的秒數內原子並沒有時間移動。水從液體轉變為電漿時,仍然保持液態水的密度。

水經歷從液體到電漿具有與太陽和有天然氣巨人之稱的木星中的電漿具有相似的特性,不過密度更低,也比地核還高溫,這種奇特的物理變化無法在自然界中找到的。

這個堪稱世界最快的熱水器有什麼意義呢? 這項實驗研究人員能夠更多地了解水的特性,包括其導熱係數,熱容量和密度,更全面性了解地球最重要液體。另外,由於 X 光雷射在過去通常用於研究微小樣本的原子結構,這次的液體實驗是突破性發展,對於 X 光雷射運作原理更進一步了解,可幫助探究更多細胞結構研究。

目前這項研究的論文 《Ultrafast nonthermal heating of water initiated by an X-ray Free-Electron Laser》發表 於美國國家科學院院刊 。

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