每個人都熟悉在波光粼粼的水中輕輕升起的小氣泡。但是在歐洲X射線自由電子激光器(European XFEL)的材料成像和動力學(MID)儀器上進行的一項實驗中，由強聚焦激光器產生的氣泡要小十倍，所含水蒸氣的壓力要高約十萬倍。在這些條件下，氣泡以超音速膨脹，并將由高度壓縮的水的球形外殼組成的沖擊波推到自己前面。現在，哥廷根大學領導的研究小組與德國電子同步加速器(DESY)和歐洲XFEL一起，創造了這樣一個事件，然后，利用他們開發的全息閃光成像和納米聚焦X射線激光脈沖的創新技術，捕獲了數據和圖像。這項研究發表在《自然通訊》上。

在歐洲XFEL的材料成像和動力學(MID)儀器上進行的實驗中產生的氣泡和高壓沖擊波的全息 "電影”

一個紅外激光脈沖(顯示為暗紅色的振蕩波)被緊密地聚焦在純水中，在那里形成了等離子體(綠色云);沖擊波和氣泡(兩個半球)隨之產生。用麥克風記錄的聲信號用來確定沉積的能量，發散的x射線束(紫色錐)用來成像由探測器捕獲的全息圖。照片:馬庫斯Osterhoff

該研究小組首先通過在水中聚焦紅外激光脈沖來創造 "空化"(一種在液體中形成充滿蒸汽的小空腔，即氣泡的現象)，從而創造出半徑為千分之幾毫米的小氣泡。研究人員用同步但仔細控制的延遲X射線脈沖觀察膨脹的氣泡。"哥廷根大學的博士生、該出版物的主要作者Malte Vassholz解釋說："與可見光相比，折射和散射模糊了圖像，X射線成像不僅能分辨出形狀，還能分辨出氣泡和沖擊波內部的密度曲線。Vassholz接著說："這使我們能夠生成微小氣泡的X射線全息圖，并記錄下有成千上萬個事件的大型數據流，然后我們通過專門設計的'解碼算法'進行分析，以獲得氣泡中的氣體密度和它周圍的沖擊波。" 由于在產生效應的播種激光脈沖和測量它的X射線脈沖之間有很好的時間延遲控制，該團隊隨后可以記錄這一過程的'電影'。

這項實驗的結果已經挑戰了當前的科學理解，并將幫助其他科學家開發更好的模型。哥廷根大學X射線物理學教授蒂姆-薩爾迪特解釋說："盡管水是地球上最重要的液體，但對這種神秘而難以捉摸的物質仍有許多東西需要了解。由于歐洲XFEL產生的X射線激光輻射的獨特特性，以及我們新的單次全息方法，我們現在可以觀察到在極端條件下蒸汽和液體水的真實情況。" 負責MID儀器的主要科學家Anders Madsen補充說："特別是，當必須穿透幾毫米的水時，具有高光子能量的強X射線脈沖的可用性為MID的成像技術提供了獨特的可能性。"

該研究技術為其他應用相關的過程提供了見解。哥廷根大學物理系研究空化現象多年的專家羅伯特-梅廷博士解釋說："例如，在泵或螺旋槳的流體中，空化可能是一種不受歡迎的效果，但它可以被利用于材料的激光加工或改變化學反應，"。"在激光手術中，通過激光脈沖，有意在組織中產生沖擊波和壓縮氣體的微小氣泡，"薩爾迪特補充說。"未來，這種過程可以被詳細地'拍攝'下來，使用我們已經開發的方法，在微觀層面和高時間分辨率上。