Da fuligem comum aos diamantes preciosos, o carbono éfamiliar em muitos aspectos, mas houve pouco mais do que vislumbres de carbono na forma la­quida. Pesquisadores da fonte FERMI Free Electron Laser (FEL) não apenas geraram uma amostra de carbono la­quido, mas caracterizaram sua estrutura, rastreando os rearranjos ultrarra¡pidos de ligações de elanãtrons e coordenadas atômicas que ocorrem quando suas amostras de carbono derretem. “Pelo que eu sei, essa éa transição estrutural mais rápida na matéria condensada”, diz Emiliano Principi , pesquisador principal do projeto.

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

Em vez disso, Principi, Claudio Masciovecchio e sua equipe usaram o sistema FERMI bomba-sonda de femtossegundo para depositar uma carga de alta energia do laser da 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 pulso FEL de laser de sonda. Embora já tenha havido estudos anteriores de carbono la­quido aquecido com lasers, este éo 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 dina¢mica do sistema.

O que os pesquisadores viram foi uma mudança distinta na ligação e no arranjo ata´mico. O carbono amorfo édominado pelo tipo de ligação eletra´nica encontrada no grafite e no grafeno, descrito como sp 2 , onde cada a¡tomo de carbono se liga a três outros, formando planos de a¡tomos de carbono em forte interação. Conforme o laser atingiu a amostra, no entanto, essa ligação mudou para sp 1, onde cada carbono estãoligado a apenas dois outros, formando cadeias de a¡tomos de carbono. “Isso érealmente fascinante na minha opinia£o”, diz Principi, ao explicar que naquele momento não hátempo para termalização por meio de fa´nons, então o ajuste dos arranjos ata´micos dos planos a s cordas decorre imediatamente dasmudanças no potencial eletrosta¡tico da ligação modificada. “Nunca vimos uma transição tão ultrarrápida”, acrescenta Masciovecchio, chefe dos programas cienta­ficos da FERMI.

Os experimentos são complementados por um conjunto de ca¡lculos ab initio da dina¢mica do sistema pelos colaboradores Martin Garcia e Sergej Krylow da Universita¤t Kassel na Alemanha. Eles encontraram excelente concorda¢ncia entre os ca¡lculos e os experimentos, o que é"muito raro", como destaca Principi, "especialmente nesta classe de experimentos". Com este trabalho tea³rico, eles foram capazes de localizar a temperatura atingida pelo processo (incra­veis 14.200 K) e a força de interação entre os elanãtrons e fa´nons no sistema de carbono excitado - 17 a— 10 18 Wm −3 K −1. Este para¢metro que quantifica a força da interação elanãtron-fa´non em materiais énotoriamente difa­cil de definir e pode ser valioso para futuras simulações.

Os elanãtrons centrais do carbono absorvem em um comprimento de onda de 4 nm, razãopela qual experimentos anteriores usando lasers de mesa operando em comprimentos de onda visa­veis foram capazes de medir apenas 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 elanãtrons do núcleo e ter uma ideia clara de como a estrutura e a ligação são afetadas pelo pulso da bomba. "Quando vocêtraz o elanãtron para o conta­nuo, o elanãtron comea§a a ver o que estãoacontecendo ao seu redor", diz Masciovecchio ao descrever a vantagem de trabalhar com absorção de raios-X onde os elanãtrons são excitados, em oposição aos espectros de refletividade . "Isto'

A configuração da FERMI também tem uma vantagem crucial para a resolução de tempo. Um laser de elanãtron livre produz radiação de um feixe de elanãtrons acelerado para velocidades relativa­sticas. As interações entre o feixe de elanãtrons e os onduladores - uma sanãrie peria³dica de a­ma£s dipolares - amplificam a radiação, produzindo uma fonte de laser extremamente brilhante. Na FERMI, um laser de mesa semeia o laser de elanãtron livre, e isso permite aos pesquisadores sincronizar a bomba e o pulso da sonda em 7 femtossegundos, em comparação com cerca de 200 femtossegundos para outras instalações de laser de elanãtron livre . Essa precisão de tempo éa chave para estudos de carbono la­quido por causa de sua breve existaªncia - dentro de 300 femtossegundos, a amostra comea§a a se termalizar e se expandir em um gás. “A festa acaba 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 pressaµes extremas se comportam pode ser potencialmente útil para a astrofa­sica, como no estudo de exoplanetas baseados em carbono recentemente observados. Em trabalhos futuros, Principi e colegas podem aplicar a mesma abordagem ao estudo de outros ala³tropos de carbono para ver os efeitos de diferentes densidades de partida, bem como ao estudo de outros elementos inteiramente, como sila­cio ou ferro.