Para peneliti telah menyelesaikan percobaan inovatif di European XFEL.
Tim ilmuwan internasional, yang dipimpin oleh University of Rostock dan Helmholtz-Center Dresding-Rostendorf (HZDR), berangkat untuk menyelidiki materi di bawah tekanan ekstrem. Pada tahun 2023, mereka menggunakan laser Dipole 100-X berdaya tinggi di European XFEL untuk pertama kalinya, mencapai hasil yang luar biasa. Eksperimen terobosan mereka berhasil menangkap perilaku karbon cair, suatu prestasi yang belum pernah dicapai sebelumnya, seperti yang dilaporkan dalam jurnal Alam.
Karbon cair terjadi secara alami di dalam planet dan dapat memainkan peran penting dalam teknologi energi di masa depan seperti fusi nuklir. Namun sampai sekarang, para peneliti hanya tahu sedikit tentang keadaan yang sulit dipahami ini. Tantangannya terletak pada kenyataan bahwa karbon tidak meleleh dalam kondisi normal. Sebaliknya, ia melewati fase cair sepenuhnya dan berubah langsung menjadi gas.
Untuk berubah menjadi cairan, karbon membutuhkan tekanan ekstrem dikombinasikan dengan suhu sekitar 4.500 derajat Celsiustitik peleburan tertinggi dari bahan yang diketahui. Mengandung kondisi seperti itu dalam pengaturan laboratorium telah lama tidak mungkin karena tidak ada wadah fisik yang dapat bertahan hidup.
Kompresi laser memberikan terobosan. Dengan memberikan ledakan energi yang intens dan pendek, laser 100-X dipol mampu mengubah karbon padat menjadi cairan hanya untuk pecahan satu detik. Tantangan sebenarnya adalah menangkap data selama momen cepat itu. Berkat kemampuan unik XFEL Eropa, laser x-ray paling kuat di dunia yang berlokasi di Schenefeld dekat Hamburg, para peneliti akhirnya dapat melakukan pengukuran tersebut. Pulsa sinar-X ultrashort-nya memungkinkan untuk menyelidiki keadaan cair secara real time, mengubah eksperimen yang dulu tak terbayangkan menjadi kenyataan.
Teknologi pengukuran unik dalam kombinasi ini
Kombinasi unik dari XFEL Eropa dengan laser berkinerja tinggi Dipole100-X sangat penting untuk keberhasilan percobaan. Ini dikembangkan oleh Dewan Fasilitas Sains dan Teknologi Inggris dan tersedia bagi para ilmuwan dari seluruh dunia oleh Konsorsium Pengguna Hibef (Helmholtz International Beamline untuk bidang ekstrem). Komunitas lembaga penelitian internasional terkemuka di stasiun eksperimental HED-Hibef (High Energy Density) di European XFEL kini telah menggabungkan kompresi laser yang kuat dengan analisis x-ray ultrafast dan detektor x-ray area besar untuk pertama kalinya.
Dalam percobaan, pulsa berenergi tinggi dari gelombang kompresi drive laser dipole100-X melalui sampel karbon padat dan mencairkan bahan untuk nanoseconds, yaitu, untuk sepersekian detik. Selama nanosecond ini, sampel diiradiasi dengan flash laser sinar-X Ultrashort dari XFEL Eropa. Atom karbon menyebarkan cahaya sinar-X-mirip dengan cara cahaya dibedakan oleh kisi. Pola difraksi memungkinkan kesimpulan untuk ditarik tentang susunan atom saat ini dalam karbon cair.
Seluruh percobaan hanya berlangsung beberapa detik tetapi diulang berkali-kali: setiap kali dengan pulsa sinar-X yang sedikit tertunda atau di bawah kondisi tekanan dan suhu yang sedikit berbeda. Banyak snapshot bergabung untuk membuat film. Dengan demikian, para peneliti dapat melacak transisi dari fase padat ke fase cair satu langkah pada satu waktu.
Struktur seperti air dan titik leleh yang akurat ditentukan
Pengukuran mengungkapkan bahwa dengan empat tetangga terdekat masing -masing, sistemik karbon cair mirip dengan berlian padat. “Ini adalah pertama kalinya kami dapat mengamati struktur karbon cair secara eksperimental. Eksperimen kami mengkonfirmasi prediksi yang dibuat oleh simulasi canggih karbon cair. Kami sedang melihat bentuk cairan yang kompleks, sebanding dengan air, yang memiliki sifat struktural yang sangat khusus,” jelas kepala kelompok kerja karbon Kolaborasi Penelitian, Prof. Dominik Kraus dari Universitas Rostok.
Para peneliti juga berhasil mempersempit titik peleburan. Hingga saat ini, prediksi teoretis tentang struktur dan titik leleh telah menyimpang secara signifikan. Tetapi pengetahuan yang tepat sangat penting untuk pemodelan planet dan konsep -konsep tertentu untuk pembangkit listrik melalui fusi nuklir.
Eksperimen dipol pertama di XFEL Eropa juga mengantarkan era baru dalam mengukur materi di bawah tekanan tinggi, sebagai pemimpin kelompok HED, Dr. Ulf Zastrau, menekankan, “Kami sekarang memiliki kotak alat untuk mengkarakterisasi materi dalam kondisi yang sangat eksotis dalam detail yang luar biasa.” Dan potensi percobaan masih jauh dari kelelahan. Di masa mendatang, hasil yang saat ini membutuhkan waktu beberapa jam percobaan dapat tersedia dalam beberapa detik – segera setelah kontrol otomatis yang kompleks dan pemrosesan data bekerja dengan cukup cepat.
Reference: “The structure of the liquid of carbon liquids. Liermann, II Oleynik, St. Pandolfi, R. Butcher, V. Central, J. Solemn, J. Collier. Galitsky, E Keen, J. Kim, P. Krygier, A. Krygier, L. Labate, A. Laso Garcia, AE Lazicki, Lee, P. B. B. Nagler, M. Nakatsutumi, K. Nguyen-Cong, A. M. Tyldesley, SC Vogel, JT Wark, JT Willman, L 2025, Alam.
Dua: 10.1038/S41586-025-09035-6
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.
BN Babel
