6月19日，欧洲XFEL、亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心(HZDR)、罗斯托克大学等机构研究人员通过高精度实验发现，当前广泛用于描述温稠密物质中电子行为的简化模型并不够准确。相关成果已发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
温稠密物质通常出现在行星内部、高压材料研究以及激光聚变实验相关条件中。它既不像普通固体，也不同于理想等离子体，因此一直是实验和理论研究中的难点。在这类物质中，电子密度会发生集体振荡，这种振荡被称为等离子体激元。研究人员可以利用X射线观测这些振荡，并通过散射光谱推断物质的状态。
过去，许多实验主要采用简化的均匀电子气体模型来解释这些光谱。但新实验表明，对于温稠密状态下的铝，这类模型会持续高估等离子体激元的能量，偏差最高约25%，相当于约8电子伏特，同时也无法完整再现实测信号的形状。
欧洲XFEL的托马斯·普雷斯顿博士表示，此次测量精度足以清楚区分不同理论模型。这一点很关键，因为相关模型常被用于诊断物质的极端状态。如果模型本身存在偏差，进一步推断得到的不透明度、光学性质、电导率和能量传输等参数也可能受到影响。
研究团队进一步比较发现，较为先进的含时密度泛函理论(TD-DFT)模拟能够更可靠地重现实验结果。HZDR的Zhandos Moldabekov博士介绍，要描述温稠密物质中的复杂物理过程，需要更精细地处理微观层面的电子和离子相互作用。虽然这类模拟对计算资源要求更高，但近年来其可行性已有明显提高。
该研究第一作者德米特里·贝斯帕洛夫表示，即使是通常被认为较为简单的金属铝，在极端状态下也不能再简单用过于均匀的模型来描述其电子响应。只有把压缩液体中真实、无序的原子结构纳入考虑，理论结果才能与实验观测相吻合。
实验在欧洲XFEL的高能量密度装置HED-HIBEF上进行，并使用纳秒级DiPOLE激光器。研究人员将薄铝箔压缩至约50吉帕斯卡，即约50万倍大气压，同时温度达到约7000开尔文，约合6700摄氏度。在冲击波从铝箔背面突破前，欧洲XFEL发射的超短X射线脉冲对样品进行探测，并记录等离子体激元信号。
为提高结果可靠性，团队同时采用X射线汤姆逊散射、X射线衍射和独立冲击波诊断等多种方法，将理论计算与受约束较好的实验状态进行对照。研究人员认为，这一实验方法还可推广到其他材料和更高温度条件，为行星内部研究、材料科学以及激光聚变燃料靶相关研究提供更准确的诊断依据。
