Với mục tiêu nghiên cứu vật chất dưới áp suất cực cao, một nhóm hợp tác nghiên cứu quốc tế do Đại học Rostock và Trung tâm Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR) tại Đức dẫn đầu đã lần đầu tiên sử dụng laser công suất cao DIPOLE 100-X tại European XFEL vào năm 2023. Họ đã đạt được thành công trong nghiên cứu carbon ở trạng thái lỏng- một thành tựu chưa từng có.
Carbon lỏng có thể được tìm thấy bên trong các hành tinh, đóng vai trò quan trọng trong các công nghệ tương lai như nhiệt hạch hạt nhân. Tuy nhiên, trong điều kiện bình thường, carbon rắn chỉ có thể hóa lỏng dưới áp suất cực cao và ở nhiệt độ khoảng 4.500°C. Nén bằng laser có thể biến carbon rắn thành lỏng trong vài phần tỷ giây và thách thức đặt ra là làm sao đo đạc trong khoảng thời gian cực ngắn đó.
Sự kết hợp giữa European XFEL và laser công suất lớn DIPOLE 100-X là yếu tố quyết định thành công của thí nghiệm này. Trong thí nghiệm, các xung năng lượng cao của laser DIPOLE 100-X tạo sóng nén chạy qua mẫu carbon rắn và làm tan chảy vật liệu trong vài nano giây. Trong khoảng thời gian cực ngắn này, mẫu được chiếu bằng xung laser tia X siêu ngắn từ European XFEL. Các nguyên tử carbon làm tán xạ tia X - tương tự như ánh sáng bị nhiễu xạ qua cách tử. Mẫu nhiễu xạ này cho phép suy ra cách các nguyên tử đang sắp xếp trong carbon lỏng.
 |
Các nhà khoa học đã kết hợp một tia laser công suất cao với đèn flash laser tia X siêu ngắn của XFEL châu Âu. Ảnh minh hoạ: sciencedaily.com |
Toàn bộ thí nghiệm kéo dài vài giây và lặp lại nhiều lần, mỗi lần với độ trễ xung tia X khác nhau hoặc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ hơi khác. Nhiều ảnh chụp liên tiếp được ghép lại thành một "bộ phim". Nhờ vậy, các nhà nghiên cứu đã có thể theo dõi quá trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng từng bước một.
Các phép đo cho thấy carbon lỏng có bốn nguyên tử lân cận, hệ thống gần giống kim cương rắn. Các nhà khoa học cũng đã xác định chính xác điểm nóng chảy, hiểu biết chính xác này có vai trò vô cùng quan trọng cho việc mô hình hóa hành tinh và một số khái niệm về phát điện bằng nhiệt hạch hạt nhân.
Nguồn: sciencedaily.com
Tin đăng KH&PT số 1362 (số 38/2025)
Diễm Quỳnh và nhóm tác giả lược dịch