Dalla comune fuliggine ai preziosi diamanti, il carbonio è familiare in molte forme, ma ci sono stati poco più che barlumi di carbonio in forma liquida. I ricercatori della sorgente FERMI Free Electron Laser (FEL) ora non solo hanno generato un campione di carbonio liquido, ma ne hanno caratterizzato la struttura, tracciando i riarrangiamenti ultraveloci del legame elettronico e delle coordinate atomiche che si verificano quando i loro campioni di carbonio si sciolgono. "Per quanto ne so, questa è la transizione strutturale più veloce nella materia condensata, "dice Emiliano Principi, ricercatore principale del progetto.

Il lavoro riempie alcune delle lacune nel diagramma di fase dell'elemento, un diagramma delle sue fasi a diverse temperature e pressioni. Nonostante l'ubiquità del carbonio e l'interesse che suscita in così tanti aspetti della scienza, dai sensori e le celle solari ai sistemi di calcolo quantistico e di protezione dei razzi spaziali, la conoscenza del suo diagramma di fase rimane frammentaria. Tipicamente, non appena il carbonio solido non resiste al calore, sublima a gas. Per altri materiali, i ricercatori possono registrare celle ad alta pressione per evitare che il campione si espanda direttamente in un gas ad alte temperature, ma questi sono di solito diamanti, precisamente l'elemento le condizioni sono progettate per fondere.

Anziché, Principi, Claudio Masciovecchio e il loro team hanno utilizzato il sistema pump-probe a femtosecondi FERMI per depositare un carico ad alta energia dal laser a pompa in un campione di carbonio amorfo e quindi misurare gli spettri di assorbimento dei raggi X dal campione solo centinaia di femtosecondi dopo con un laser a sonda Impulso FEL. Sebbene ci siano stati studi precedenti sul carbonio liquido riscaldato mediante laser, questo è il primo che utilizza impulsi laser con lunghezza d'onda e risoluzione temporale sufficientemente corte da distinguere la struttura del campione alla scala temporale della dinamica del sistema.

teso

Quello che i ricercatori hanno visto è stato un cambiamento distintivo nel legame e nella disposizione atomica. Il carbonio amorfo è dominato dal tipo di legame elettronico che si trova nella grafite e nel grafene descritto come sp ² , dove ogni atomo di carbonio si lega ad altri tre, formando piani di atomi di carbonio strettamente interagenti. Quando il laser ha colpito il campione, però, questo legame è cambiato in sp ¹ , dove ogni carbonio è legato solo ad altri due, formare stringhe di atomi di carbonio. "Questo è davvero affascinante secondo me, "dice Principi, come spiega che a quel punto, non c'è tempo per la termalizzazione per mezzo di fononi, così la regolazione delle disposizioni atomiche dai piani alle stringhe segue immediatamente dalle variazioni di potenziale elettrostatico dal legame modificato. "Non abbiamo mai visto una transizione così ultraveloce, "aggiunge Masciovecchio, responsabile dei programmi scientifici di FERMI.

Gli esperimenti sono integrati da una serie di calcoli ab initio della dinamica del sistema da parte dei collaboratori Martin Garcia e Sergej Krylow dell'Universität Kassel in Germania. Hanno trovato un ottimo accordo tra i calcoli e gli esperimenti, che è "molto raro, "come fa notare Principi, "specialmente in questa classe di esperimenti." Con questo lavoro teorico sono stati in grado di individuare la temperatura raggiunta dal processo (ben 14, 200 K) e la forza di interazione tra gli elettroni e i fononi nel sistema di carbonio eccitato—17×10 ¹⁸ Wm ^-3 K ⁻¹ . Questo parametro che quantifica la forza di interazione elettrone-fonone nei materiali è notoriamente difficile da definire e può essere prezioso per future simulazioni.

Breve e dolce

Gli elettroni del nucleo nel carbonio assorbono a una lunghezza d'onda di 4 nm, motivo per cui precedenti esperimenti utilizzando laser da tavolo operanti a lunghezze d'onda visibili sono stati in grado di misurare solo l'intensità riflessa. Poiché gli esperimenti generano un plasma, che provoca un aumento della riflettività, il campione rimane sostanzialmente opaco a queste misurazioni. Il FERMI FEL può utilizzare impulsi laser a 4 nm, così i ricercatori hanno potuto misurare gli spettri di assorbimento degli elettroni del nucleo e avere un'idea chiara di come la struttura e il legame siano influenzati dall'impulso della pompa. "Quando porti l'elettrone nel continuum, l'elettrone inizierà a vedere cosa sta succedendo intorno ad esso, " dice Masciovecchio mentre descrive il vantaggio di lavorare con l'assorbimento dei raggi X dove gli elettroni sono eccitati, in contrasto con gli spettri di riflettività. "Ti sta dicendo la geometria locale e la struttura locale:ottieni informazioni strutturali molto importanti".

L'allestimento di FERMI ha anche un vantaggio cruciale per la risoluzione dei tempi. Un laser a elettroni liberi produce radiazioni da un fascio di elettroni accelerato a velocità relativistiche. Le interazioni tra il gruppo di elettroni e gli ondulatori, una serie periodica di magneti a dipolo, amplificano quindi la radiazione, producendo una sorgente laser estremamente luminosa. A FERMI, un laser da tavolo semina il laser a elettroni liberi, e questo consente ai ricercatori di sincronizzare la pompa e l'impulso della sonda entro 7 femtosecondi rispetto a circa 200 femtosecondi per altre strutture laser a elettroni liberi. Questa precisione temporale è fondamentale per gli studi sul carbonio liquido a causa della sua breve esistenza, entro 300 femtosecondi, il campione inizia a termalizzare ed espandersi in un gas. "La festa è finita dopo mezzo picosecondo, "aggiunge Principi.

I risultati colmano alcune lacune nel diagramma di fase del carbonio. Capire come si comportano i sistemi a base di carbonio a temperature e pressioni estreme potrebbe essere potenzialmente utile per l'astrofisica, come nello studio di esopianeti basati sul carbonio recentemente osservati. Nel lavoro futuro, Principi e colleghi possono applicare lo stesso approccio allo studio di altri allotropi del carbonio per vedere gli effetti di diverse densità di partenza, oltre che allo studio completo di altri elementi, come silicio o ferro.

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