Rostock Üniversitesi ve Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf’un (HZDR) öncülük ettiği uluslararası bir bilim ekibi, aşırı basınç altındaki maddeyi incelemek üzere yola çıktı. 2023 yılında, Avrupa XFEL’deki yüksek güçlü DIPOLE 100-X lazerini ilk kez kullandılar ve dikkat çekici sonuçlar elde ettiler. Bu çığır açıcı deney, daha önce hiç başarılamayan bir şekilde sıvı karbonun davranışını yakalamayı başardı. Bulgular Nature dergisinde yayımlandı.
Sıvı karbon doğada gezegenlerin içlerinde bulunur ve gelecekte nükleer füzyon gibi enerji teknolojilerinde önemli bir rol oynayabilir. Ancak bugüne dek bu zor yakalanan hal hakkında çok az şey biliniyordu. Bunun nedeni, karbonun normal koşullar altında erimemesi; doğrudan katıdan gaza geçmesidir.
Sıvı hale gelebilmesi için karbonun yaklaşık 4.500°C sıcaklık ve aşırı basınca ihtiyacı vardır – bu, bilinen tüm malzemeler arasında en yüksek erime noktasıdır. Ancak böyle koşullar laboratuvarda oluşturulsa bile, hiçbir fiziksel kap bu aşırı şartlara dayanamaz.
DIPOLE 100-X lazeri, yoğun ve kısa enerji darbeleri göndererek katı karbonu saniyenin çok küçük bir kesiti için sıvıya dönüştürdü. Asıl zorluk, bu çok kısa anda veri toplayabilmekti. Avrupa’nın Hamburg yakınlarındaki Schenefeld’de bulunan dünyanın en güçlü X-ışını lazeri European XFEL sayesinde bu mümkün oldu. Ultra kısa X-ışını darbeleri, sıvı halin gerçek zamanlı olarak gözlemlenmesini sağladı ve bir zamanlar imkânsız görülen deney gerçeğe dönüştü.
İngiltere Bilim ve Teknoloji Olanakları Konseyi tarafından geliştirilen sistem, HIBEF (Helmholtz International Beamline for Extreme Fields) kullanıcı konsorsiyumu aracılığıyla bilim insanlarının hizmetine sunuldu. Araştırma, XFEL’deki yüksek enerji yoğunluğu (HED-HIBEF) istasyonunda güçlü lazer sıkıştırması, ultra hızlı X-ışını analizi ve geniş alanlı dedektörlerin ilk kez bir araya getirilmesiyle gerçekleştirildi.
Deneyde, DIPOLE 100-X lazerinden gelen yüksek enerjili darbeler katı karbon örneğinde sıkıştırma dalgaları oluşturdu ve maddeyi sadece nanosaniyeler (saniyenin milyarda biri) boyunca sıvılaştırdı. Bu esnada örnek, XFEL’in ultra kısa X-ışını flaşıyla ışınlandı. Karbon atomları X-ışığını kırarak difraksiyon deseni oluşturdu. Bu desen, sıvı karbonun atomlarının nasıl dizildiğini ortaya koydu.
Deney saniyeler sürse de defalarca tekrarlandı. Her seferinde X-ışını farklı zamanlamalarla kullanıldı veya basınç-sıcaklık koşulları değiştirildi. Böylece her anın görüntüsü alınıp birleşerek katıdan sıvıya geçişin adım adım “filmi” oluşturuldu.
Ölçümler, sıvı karbonun yapısının katı elmastaki gibi her atomun dört yakın komşusuyla benzer şekilde düzenlendiğini ortaya koydu. Karbon Çalışma Grubu Başkanı Prof. Dominik Kraus, “İlk kez sıvı karbonun yapısını deneysel olarak gözlemleyebildik. Bu deney, sofistike simülasyonların öngörülerini doğruluyor. Suya benzer, çok özel yapısal özelliklere sahip karmaşık bir sıvıyla karşı karşıyayız” dedi.
Araştırmacılar ayrıca karbonun erime noktasını da hassas biçimde belirlemeyi başardı. Daha önceki teorik tahminler arasında ciddi farklılıklar vardı. Ancak kesin bilgi, hem gezegen modelleri hem de nükleer füzyon tabanlı enerji üretim projeleri için kritik öneme sahip.
European XFEL’deki ilk DIPOLE deneyi, yüksek basınç altındaki maddeyi ölçmede yeni bir çağın başlangıcı olarak değerlendiriliyor.