Flydende kulstof karakteriseret ved hjælp af en fri elektronlaser

Fra almindelig sod til ædle diamanter, kulstof er kendt i mange afskygninger, men der har været lidt mere end glimt af kulstof i flydende form. Forskere ved FERMI Free Electron Laser (FEL)-kilden har nu ikke kun genereret en flydende kulstofprøve, men har karakteriseret dens struktur, sporer de ultrahurtige omlejringer af elektronbindinger og atomare koordinater, der finder sted, når deres kulstofprøver smelter. "Så vidt jeg ved, det er den hurtigste strukturelle overgang i kondenseret stof, " siger Emiliano Principi, hovedefterforsker på projektet.

Værket udfylder nogle af hullerne i elementets fasediagram - et plot af dets faser ved forskellige temperaturer og tryk. På trods af kulstoffets allestedsnærværende og interessen, det tiltrækker i så mange facetter af videnskaben - fra sensorer og solceller til kvantecomputere og rumraketbeskyttelsessystemer - er kendskabet til dets fasediagram stadig uregelmæssigt. Typisk, så snart fast kulstof ikke kan tage varmen, det sublimerer til gas. For andre materialer, forskere kan indskrive højtryksceller for at forhindre prøven i at udvide sig direkte til en gas ved høje temperaturer, men disse er normalt diamanter, netop det element, betingelserne er designet til at smelte.

I stedet, Principi, Claudio Masciovecchio og deres team brugte FERMI femtosecond pumpe-probe-systemet til at afsætte en højenergibelastning fra pumpelaseren i en amorf kulstofprøve og derefter måle røntgenabsorptionsspektrene ved prøven blot hundredvis af femtosekunder bagefter med en sondelaser FEL puls. Selvom der har været tidligere undersøgelser af flydende kulstof opvarmet ved hjælp af lasere, dette er den første, der bruger laserimpulser med en kort nok bølgelængde og tidsopløsning til at skelne strukturen af ​​prøven på tidsskalaen for systemets dynamik.

Udspændt

Hvad forskerne så var en markant ændring i binding og atomarrangementet. Amorft kulstof er domineret af den form for elektronisk binding, der findes i grafit og grafen, der beskrives som sp ² , hvor hvert kulstofatom binder sig til tre andre, danner planer af tæt interagerende carbonatomer. Da laseren ramte prøven, imidlertid, denne binding ændres til sp ¹ , hvor hvert kulstof er bundet til kun to andre, danner strenge af kulstofatomer. "Dette er virkelig fascinerende efter min mening, " siger Principi, som han forklarer, at på det tidspunkt, der er ikke tid til termalisering ved hjælp af fononer, så justeringen af ​​atomarrangementer fra planer til strenge følger umiddelbart af ændringerne i elektrostatisk potentiale fra den modificerede binding. "Vi har aldrig set en så ultrahurtig overgang, " tilføjer Masciovecchio, leder af FERMIs videnskabelige programmer.

Forsøgene suppleres af et sæt ab initio-beregninger af systemdynamikken af ​​samarbejdspartnerne Martin Garcia og Sergej Krylow ved Universität Kassel i Tyskland. De fandt fremragende overensstemmelse mellem beregningerne og eksperimenterne, hvilket er "meget sjældent, " som Principi påpeger, "især i denne klasse af eksperimenter." Med dette teoretiske arbejde var de i stand til at udpege den temperatur, som processen nåede (hele 14, 200 K) og interaktionsstyrken mellem elektronerne og fononerne i det exciterede kulstofsystem—17×10 ¹⁸ Wm ⁻³ K ⁻¹ . Denne parameter, der kvantificerer elektron-fonon-interaktionsstyrken i materialer, er notorisk svær at fastlægge og kan være værdifuld for fremtidige simuleringer.

Kort og godt

Kerneelektronerne i kulstof absorberer ved en bølgelængde på 4 nm, Derfor har tidligere eksperimenter med bordlasere, der opererer ved synlige bølgelængder, kun været i stand til at måle den reflekterede intensitet. Da eksperimenterne genererer et plasma, hvilket forårsager en stigning i reflektivitet, prøven forbliver i det væsentlige uigennemsigtig for disse målinger. FERMI FEL kan bruge laserimpulser ved 4 nm, så forskerne kunne måle absorptionsspektrene for kerneelektroner og få en klar idé om, hvordan strukturen og bindingen påvirkes af pumpeimpulsen. "Når du bringer elektronen ind i kontinuummet, elektronen vil begynde at se, hvad der foregår omkring den, siger Masciovecchio, mens han beskriver fordelen ved at arbejde med røntgenabsorption, hvor elektronerne exciteres, i modsætning til reflektionsspektrene. "Det fortæller dig den lokale geometri og lokale struktur - du får meget vigtig strukturel information."

Opsætningen hos FERMI har også en afgørende fordel for tidsopløsningen. En fri elektronlaser producerer stråling fra et elektronbundt accelereret til relativistiske hastigheder. Interaktioner mellem elektronbundtet og undulatorer - en periodisk serie af dipolmagneter - forstærker derefter strålingen, producerer en ekstremt lysstærk laserkilde. Hos FERMI, en bordlaser udså den frie elektronlaser, og dette giver forskerne mulighed for at synkronisere pumpe- og sondepulsen til inden for 7 femtosekunder sammenlignet med omkring 200 femtosekunder for andre frie elektronlaserfaciliteter. Denne timingpræcision er nøglen til studier af flydende kulstof på grund af dets korte eksistens - inden for 300 femtosekunder, prøven begynder at termalisere og udvide sig til en gas. "Festen er slut efter et halvt picosekund, " tilføjer Principi.

Resultaterne udfylder nogle af hullerne i fasediagrammet for kulstof. At forstå, hvordan kulstofbaserede systemer ved ekstreme temperaturer og tryk opfører sig, kunne potentielt være nyttigt for astrofysik, såsom i undersøgelsen af ​​nyligt observerede kulstofbaserede exoplaneter. I det fremtidige arbejde, Principi og kolleger kan anvende den samme tilgang til studiet af andre kulstofallotroper for at se virkningerne af forskellige starttætheder, såvel som helt studiet af andre elementer, såsom silicium eller jern.

© 2020 Science X Network