Från vanlig sot till värdefulla diamanter, kol är bekant i många skepnader, men det har varit lite mer än glimtar av kol i flytande form. Forskare vid källan FERMI Free Electron Laser (FEL) har nu inte bara genererat ett flytande kolprov, men har kännetecknat dess struktur, spåra de supersnabba omorganisationerna av elektronbindning och atomkoordinater som äger rum när deras kolprover smälter. "Så vitt jag vet, det är den snabbaste strukturella övergången i kondenserad materia, säger Emiliano Principi, huvudutredare på projektet.

Arbetet fyller några av luckorna i elementets fasdiagram - en ritning över dess faser vid olika temperaturer och tryck. Trots kolets allestädes närvaro och det intresse det väcker för så många aspekter av vetenskapen - från sensorer och solceller till kvantberäkning och rymdraketskyddssystem - är kunskapen om dess fasdiagram fortfarande ojämn. Vanligtvis, så snart fast kol inte kan ta värmen, det sublimerar till gas. För andra material, forskare kan registrera högtrycksceller för att förhindra att provet expanderar rakt in i en gas vid höga temperaturer, men dessa är vanligtvis diamant, just det element som villkoren är avsedda att smälta.

Istället, Principi, Claudio Masciovecchio och deras team använde FERMI femtosekunds pump-sondsystem för att avsätta en högenergilast från pumplasern till ett amorft kolprov och sedan mäta röntgenabsorptionsspektra med provet bara hundratals femtosekunder efteråt med en sondlaser FEL -puls. Även om det har gjorts tidigare studier av flytande kol upphettat med hjälp av lasrar, detta är den första som använder laserpulser med tillräckligt kort våglängd och tidsupplösning för att skilja provets struktur vid tidsskalan för systemets dynamik.

Sträckt ut

Vad forskarna såg var en distinkt förändring i bindning och atomarrangemang. Amorft kol domineras av den typ av elektronisk bindning som finns i grafit och grafen som beskrivs som sp ² , där varje kolatom binder till tre andra, bildar plan med tätt samverkande kolatomer. När lasern träffade provet, dock, denna bindning ändrades till sp ¹ , där varje kol är bunden till bara två andra, bildar strängar av kolatomer. "Detta är verkligen fascinerande enligt mig, "säger Principi, som han förklarar att vid den tidpunkten, det finns ingen tid för termalisering med hjälp av fononer, så justeringen av atomarrangemang från plan till strängar följer omedelbart av förändringarna i elektrostatisk potential från den modifierade bindningen. "Vi har aldrig sett en så supersnabb övergång, "tillägger Masciovecchio, chef för FERMI:s vetenskapliga program.

Experimenten kompletteras med en uppsättning ab initio -beräkningar av systemdynamiken av medarbetarna Martin Garcia och Sergej Krylow vid Universität Kassel i Tyskland. De fann utmärkt överensstämmelse mellan beräkningarna och experimenten, som är "mycket sällsynt, "som Principi påpekar, "särskilt i denna klass av experiment." Med detta teoretiska arbete kunde de identifiera temperaturen som processen uppnådde (hela 14, 200 K) och interaktionsstyrkan mellan elektronerna och fononerna i det exciterade kolsystemet - 17 × 10 ¹⁸ Wm ⁻³ K ⁻¹ . Denna parameter som kvantifierar elektron -fonon -interaktionsstyrkan i material är notoriskt svår att fastställa och kan vara värdefull för framtida simuleringar.

Kort och söt

Kärnelektronerna i kol absorberar vid en våglängd på 4 nm, vilket är anledningen till att tidigare experiment med bordsläsare som arbetar med synliga våglängder endast har kunnat mäta den reflekterade intensiteten. Eftersom experimenten genererar en plasma, vilket orsakar en ökning av reflektivitet, provet förblir väsentligen ogenomskinligt för dessa mätningar. FERMI FEL kan använda laserpulser vid 4 nm, så forskarna kunde mäta absorptionsspektra för kärnelektroner och få en klar uppfattning om hur strukturen och bindningen påverkas av pumppulsen. "När du för in elektronen i kontinuum, elektronen kommer att börja se vad som händer runt den, "säger Masciovecchio när han beskriver fördelen med att arbeta med röntgenabsorption där elektronerna exciteras, i motsats till reflektivitetsspektra. "Det berättar om den lokala geometrin och den lokala strukturen - du får mycket viktig strukturell information."

Uppsättningen på FERMI har också en avgörande fördel för tidsupplösning. En fri elektronlaser producerar strålning från ett elektronbunt som accelereras till relativistiska hastigheter. Interaktioner mellan elektrongruppen och undulatorer - en periodisk serie dipolmagneter - förstärker sedan strålningen, producerar en extremt ljus laserkälla. På FERMI, en bordslaser fröer den fria elektronlasern, och detta gör att forskarna kan synkronisera pumpen och sondpulsen till inom fem femtosekunder jämfört med cirka 200 femtosekunder för andra fria elektronlaseranläggningar. Denna timingprecision är nyckeln till studier av flytande kol på grund av dess korta existens - inom 300 femtosekunder, provet börjar värma och expandera till en gas. "Festen är över efter en halv picosekund, "tillägger Principi.

Resultaten fyller några av luckorna i fasdiagrammet för kol. Att förstå hur kolbaserade system vid extrema temperaturer och tryck beter sig kan potentiellt vara användbart för astrofysik, såsom i studien av nyligen observerade kolbaserade exoplaneter. I framtida arbete, Principi och kollegor kan tillämpa samma tillvägagångssätt för att studera andra kolallotroper för att se effekterna av olika starttätheter, såväl som att studera andra element helt, såsom kisel eller järn.

© 2020 Science X Network