理解固态液态碳原子电子结构

固态熔化多快时间尺度逐小时思考Emiliano Principi博士及其团队最近FERMI免费电子激光实验显示,用激光脉冲熔化碳实为超快非热过程 — — 取量不到10亿分之一秒Principi博士使用最新X射线实验重构我们对固态材料物理的理解

Femto二分数极短方位秒为10至15秒 或百万分之一速度最快的大脑处理图像被认为低于20毫秒-万千兆比femto秒慢光物理过程在femto二分制下会发生很多事

难点是寻找方法去Femto二进制进程开发激光技术能生成光脉冲数十分Femtose使用实验室激光生成超快脉冲对电磁频谱中所有高能区不完全相同

更出人意料的是 碳熔化过程快速展开

X光观察人体检测结构问题之极方法,如骨折X光观察分子和素材结构之强工具挑战正在制造femto二叉X光脉冲,这些脉冲光度足以用于此目的实现这一点需要开发全新设施和技术,最终生成X射线免费电子激光器,其中全世界仍然只有7台

Emiliano Principi博士是意大利免费电子激光FERMIEIS-TIMEX波束头自由电子激光生成超短亮X射线脉冲 捕捉前所未有的现象工作帮助我们探索非探索阶段 问题可能在太阳外行星上常见

相位修改
相位变化指物体从物态向物态变化时发生的事情这可能是冰融化, 固态经历相位变换成为液态, 或液化汽油燃烧产生气体触发相位变化的一个方法就是改变系统温度另一种方式是控制压力
通常我们认为开水点为100摄氏度,但这只有在压力为1摄氏度时才能实现 — — 地球海平面平均大气压力热点山水 温度比100摄氏度低得多

Principi博士实验FERMI免费电子激光时,他正在研究在14000摄氏度以上和压力比地球高50万倍的温度下哪些相位改变固碳在如此极端条件和高温下,大多数材料开始熔化也许不足为奇更出人意料的是 碳熔化过程的快速度 和样本经历的原子级微小变化

虚伪问题
Principi博士团队面临的第一个挑战是如何在实验室生成如此极端条件即使是最强炉和加热装置也无法快速达到生成液态碳所需的温度,采样中的任何加热都极不均匀

并善于生成短时光脉冲,Femto二叉激光能够在短短时间提供大量能量,因为它们高峰能表示它们是激光切割过程优先工具之一,包括眼科外科或切片钢块这使得它们完全能提供快速突发温度变化生成液态碳

Principi博士需要用免电子激光启动X射线脉冲并发熔工具,允许他观察相位变化使用光脉冲触发响应 并观察它 实例什么 被称为泵-probe机制第脉冲作用泵启动时探针观察动作展开改变探针脉冲和泵运抵之间的延时,使得能够及时观察反应发生

第脉冲作用泵启动时探针观察动作展开

femto二度时段发生快速反应的问题是泵和探针脉冲之间的时间也必须非常短并非常谨慎地控制当泵探脉冲来自不同源头时,像Principi博士实验时那样,泵为桌面激光,探针为巨型自由电子激光,控制延时变得非常困难,因为它需要同步两个设备
脉冲间延时远小于眨眼时,脉冲间时序松动开始产生大问题这是因为发送电子信号同步的时间尺度比脉冲间期望延时长FERMI团队和Principi博士能够做的是开发新技术同步双脉冲以几乎完全消除表板激光和免费电子激光之间的定时噪声精度控制相对脉冲延时 可以看到熔化过程最快的动态

液态碳
Principi博士和他的团队通过监测X光如何被样本吸收,可以绘制样本中所有不同碳原子在熔化过程电子交互熔化过程最快 — — 仅在300femto二分法中发生 — — 团队可以观察原子联动随着X射线吸收频谱在相位变换而变化
spincipi博士随后可以探索这些快速熔化动态如何变化取决于使用的具体类型碳所有的碳样本都含有同类型原子,但在结构排列和密度方面可能有所不同。在某些样本中原子高度排序,而另一些样本则比较随机排列

Principi博士通过使用这些高精度免费激光并开发新方法将能力与桌面激光系统相结合,得以透视物质极端状态,这些状态只是瞬时存在的,而到目前为止,只是在计算模拟中才有说服力。X光对电子原子结构的敏感度定能照亮更多新的令人振奋物理过程并帮助我们理解其中一些隐蔽基础物理