Desde el hollín común hasta los diamantes preciosos, el carbono es familiar en muchas formas, pero ha habido poco más que destellos de carbono en forma líquida. Los investigadores de la fuente FERMI Free Electron Laser (FEL) ahora no solo han generado una muestra de carbono líquido, pero han caracterizado su estructura, rastreando los reordenamientos ultrarrápidos de los enlaces de electrones y las coordenadas atómicas que tienen lugar cuando sus muestras de carbono se derriten. "Por lo que sé, que es la transición estructural más rápida en materia condensada, "dice Emiliano Principi, investigador principal del proyecto.

El trabajo llena algunos de los huecos en el diagrama de fase del elemento, un gráfico de sus fases a diferentes temperaturas y presiones. A pesar de la ubicuidad del carbono y el interés que despierta en tantas facetas de la ciencia, desde sensores y células solares hasta computación cuántica y sistemas de protección de cohetes espaciales, el conocimiento de su diagrama de fase sigue siendo irregular. Típicamente, tan pronto como el carbono sólido no pueda soportar el calor, se sublima en gas. Para otros materiales, los investigadores pueden registrar celdas de alta presión para evitar que la muestra se expanda directamente a un gas a altas temperaturas, pero estos suelen ser diamantes, precisamente el elemento que las condiciones están diseñadas para derretirse.

En lugar de, Principi, Claudio Masciovecchio y su equipo utilizaron el sistema de sonda y bomba de femtosegundos FERMI para depositar una carga de alta energía del láser de la bomba en una muestra de carbono amorfo y luego medir los espectros de absorción de rayos X mediante la muestra, unos cientos de femtosegundos después, con una sonda láser. Pulso FEL. Aunque ha habido estudios previos de carbón líquido calentado con láseres, este es el primero que utiliza pulsos de láser con una longitud de onda y una resolución de tiempo suficientemente cortos para distinguir la estructura de la muestra en la escala de tiempo de la dinámica del sistema.

Encadenado

Lo que vieron los investigadores fue un cambio distintivo en la unión y la disposición atómica. El carbono amorfo está dominado por el tipo de enlace electrónico que se encuentra en el grafito y el grafeno descrito como sp ² , donde cada átomo de carbono se une a otros tres, formando planos de átomos de carbono que interactúan estrechamente. Cuando el láser golpea la muestra, sin embargo, esta unión cambió a sp ¹ , donde cada carbono está unido a otros dos, formando cadenas de átomos de carbono. "Esto es realmente fascinante en mi opinión, "dice Principi, mientras explica que en ese momento, no hay tiempo para la termalización mediante fonones, de modo que el ajuste de las disposiciones atómicas de los planos a las cuerdas se deriva inmediatamente de los cambios en el potencial electrostático de la unión modificada. "Nunca habíamos visto una transición tan ultrarrápida, "añade Masciovecchio, jefe de los programas científicos de FERMI.

Los experimentos se complementan con un conjunto de cálculos ab initio de la dinámica del sistema realizados por los colaboradores Martin García y Sergej Krylow de la Universität Kassel en Alemania. Encontraron una excelente concordancia entre los cálculos y los experimentos, que es "muy raro, "como señala Principi, "especialmente en esta clase de experimentos". Con este trabajo teórico pudieron precisar la temperatura alcanzada por el proceso (la friolera de 14, 200 K) y la fuerza de interacción entre los electrones y fonones en el sistema de carbono excitado — 17 × 10 ¹⁸ Wm ⁻³ K ⁻¹ . Este parámetro que cuantifica la fuerza de la interacción electrón-fonón en materiales es notoriamente difícil de precisar y puede ser valioso para futuras simulaciones.

Corto y dulce

Los electrones del núcleo del carbono se absorben a una longitud de onda de 4 nm, razón por la cual los experimentos anteriores que utilizan láseres de sobremesa que operan en longitudes de onda visibles solo han podido medir la intensidad reflejada. Dado que los experimentos generan un plasma, que provoca un aumento en la reflectividad, la muestra permanece esencialmente opaca a estas medidas. El FERMI FEL puede utilizar pulsos de láser a 4 nm, para que los investigadores pudieran medir los espectros de absorción de los electrones del núcleo y tener una idea clara de cómo la estructura y los enlaces se ven afectados por el pulso de la bomba. "Cuando llevas el electrón al continuo, el electrón comenzará a ver lo que sucede a su alrededor, "dice Masciovecchio al describir la ventaja de trabajar con la absorción de rayos X donde los electrones están excitados, a diferencia de los espectros de reflectividad. "Te dice la geometría local y la estructura local; obtienes información estructural muy importante".

La configuración en FERMI también tiene una ventaja crucial para la resolución de tiempos. Un láser de electrones libres produce radiación de un grupo de electrones acelerado a velocidades relativistas. Las interacciones entre el grupo de electrones y los onduladores (una serie periódica de imanes dipolos) amplifican luego la radiación, produciendo una fuente de láser extremadamente brillante. En FERMI, un láser de mesa siembra el láser de electrones libres, y esto permite a los investigadores sincronizar el pulso de la bomba y la sonda dentro de los 7 femtosegundos en comparación con alrededor de 200 femtosegundos para otras instalaciones de láser de electrones libres. Esta precisión de tiempo es clave para los estudios de carbono líquido debido a su breve existencia, dentro de 300 femtosegundos, la muestra comienza a termalizarse y a expandirse a gas. "La fiesta termina después de medio picosegundo, "añade Principi.

Los resultados llenan algunos de los vacíos en el diagrama de fases del carbono. Comprender cómo se comportan los sistemas basados ​​en carbono a temperaturas y presiones extremas podría ser potencialmente útil para la astrofísica, como en el estudio de exoplanetas basados ​​en carbono recientemente observados. En el trabajo futuro, Principi y sus colegas pueden aplicar el mismo enfoque al estudio de otros alótropos de carbono para ver los efectos de diferentes densidades iniciales, así como al estudio de otros elementos por completo, como el silicio o el hierro.

© 2020 Science X Network