De fuligem comum a diamantes preciosos, o carbono é familiar em muitos aspectos, mas houve pouco mais do que vislumbres de carbono na forma líquida. Pesquisadores da fonte FERMI Free Electron Laser (FEL) não geraram apenas uma amostra de carbono líquido, mas caracterizaram sua estrutura, rastreando os rearranjos ultrarrápidos de ligações de elétrons e coordenadas atômicas que ocorrem conforme suas amostras de carbono derretem. "Até onde sei, essa é a transição estrutural mais rápida em matéria condensada, "diz Emiliano Principi, investigador principal do projeto.

O trabalho preenche algumas das lacunas no diagrama de fase do elemento - um gráfico de suas fases em diferentes temperaturas e pressões. Apesar da onipresença do carbono e do interesse que ele desperta em tantas facetas da ciência - de sensores e células solares à computação quântica e sistemas de proteção de foguetes espaciais - o conhecimento de seu diagrama de fases permanece irregular. Tipicamente, assim que o carbono sólido não aguentar o calor, ele sublima em gás. Para outros materiais, os pesquisadores podem inscrever células de alta pressão para evitar que a amostra se expanda diretamente em um gás em altas temperaturas, mas geralmente são diamantes, precisamente o elemento que as condições foram projetadas para derreter.

Em vez de, Principi, Claudio Masciovecchio e sua equipe usaram o sistema de sonda de bomba de femtossegundo FERMI para depositar uma carga de alta energia do laser de bomba em uma amostra de carbono amorfo e, em seguida, medir os espectros de absorção de raios-X pela amostra, meras centenas de femtossegundos depois com um laser de sonda Pulso FEL. Embora tenha havido estudos anteriores de carbono líquido aquecido usando lasers, este é o primeiro que usa pulsos de laser com comprimento de onda e resolução de tempo curtos o suficiente para distinguir a estrutura da amostra na escala de tempo da dinâmica do sistema.

Amarrado

O que os pesquisadores viram foi uma mudança distinta na ligação e no arranjo atômico. O carbono amorfo é dominado pelo tipo de ligação eletrônica encontrada no grafite e no grafeno descrito como sp ² , onde cada átomo de carbono se liga a três outros, formando planos de átomos de carbono interagindo fortemente. Quando o laser atingiu a amostra, Contudo, esta ligação mudou para sp ¹ , onde cada carbono está ligado a apenas dois outros, formando cadeias de átomos de carbono. "Isso é realmente fascinante na minha opinião, "diz Principi, como ele explica que naquele ponto, não há tempo para termalização por meio de fônons, assim, o ajuste dos arranjos atômicos dos planos às cordas segue imediatamente das mudanças no potencial eletrostático da ligação modificada. "Nunca vimos uma transição tão ultrarrápida, "acrescenta Masciovecchio, chefe dos programas científicos da FERMI.

Os experimentos são complementados por um conjunto de cálculos ab initio da dinâmica do sistema pelos colaboradores Martin Garcia e Sergej Krylow da Universität Kassel na Alemanha. Eles encontraram excelente concordância entre os cálculos e experimentos, que é "muito raro, "como Principi aponta, "especialmente nesta classe de experimentos." Com este trabalho teórico, eles foram capazes de localizar a temperatura atingida pelo processo (14 colossais, 200 K) e a força de interação entre os elétrons e fônons no sistema de carbono excitado - 17 × 10 ¹⁸ Wm ^-3 K ^-1 . Este parâmetro que quantifica a força da interação elétron-fônon em materiais é notoriamente difícil de definir e pode ser valioso para futuras simulações.

Curto e grosso

Os elétrons centrais do carbono absorvem em um comprimento de onda de 4 nm, é por isso que experimentos anteriores usando lasers de mesa operando em comprimentos de onda visíveis só foram capazes de medir a intensidade refletida. Uma vez que os experimentos geram um plasma, que causa um aumento na refletividade, a amostra permanece essencialmente opaca para essas medições. O FERMI FEL pode usar pulsos de laser a 4 nm, para que os pesquisadores pudessem medir os espectros de absorção dos elétrons do núcleo e ter uma ideia clara de como a estrutura e a ligação são afetadas pelo pulso da bomba. "Quando você traz o elétron para o continuum, o elétron começará a ver o que está acontecendo ao seu redor, "diz Masciovecchio ao descrever a vantagem de trabalhar com absorção de raios-X, onde os elétrons são excitados, em oposição aos espectros de refletividade. "Ele está dizendo a você a geometria e a estrutura locais - você obtém informações estruturais muito importantes."

A configuração da FERMI também tem uma vantagem crucial para a resolução de tempo. Um laser de elétron livre produz radiação de um feixe de elétrons acelerado para velocidades relativísticas. As interações entre o feixe de elétrons e os onduladores - uma série periódica de ímãs dipolares - amplificam a radiação, produzindo uma fonte de laser extremamente brilhante. Na FERMI, um laser de mesa semeia o laser de elétrons livres, e isso permite que os pesquisadores sincronizem a bomba e o pulso da sonda em até 7 femtossegundos, em comparação com cerca de 200 femtossegundos para outras instalações de laser de elétrons grátis. Esta precisão de tempo é a chave para estudos de carbono líquido por causa de sua breve existência - dentro de 300 femtossegundos, a amostra começa a se termalizar e se expandir em um gás. "A festa acabou depois de meio picossegundo, "acrescenta Principi.

Os resultados preenchem algumas das lacunas no diagrama de fases do carbono. Compreender como os sistemas baseados em carbono em temperaturas e pressões extremas se comportam pode ser potencialmente útil para a astrofísica, como no estudo de exoplanetas baseados em carbono recentemente observados. Em trabalho futuro, Principi e colegas podem aplicar a mesma abordagem ao estudo de outros alótropos de carbono para ver os efeitos de diferentes densidades iniciais, bem como para o estudo de outros elementos inteiramente, como silício ou ferro.

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