La structure du carbone liquide mesurée pour la première fois
Une équipe de chercheurs achève une expérience révolutionnaire à l'European XFEL
Dans le but déclaré de mesurer la matière sous pression extrême, une collaboration internationale de recherche dirigée par l'Université de Rostock et le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a utilisé pour la première fois en 2023 le laser haute performance DIPOLE 100-X au XFEL européen. Avec des résultats spectaculaires : Lors de cette première expérience, ils sont parvenus à étudier le carbone liquide - une réussite sans précédent, comme le rapportent les chercheurs dans la revue Nature.
Le carbone liquide se trouve, par exemple, à l'intérieur des planètes et joue un rôle important dans les technologies futures telles que la fusion nucléaire. Jusqu'à présent, cependant, on ne savait que très peu de choses sur le carbone sous sa forme liquide car, dans cet état, il était pratiquement impossible de l'étudier en laboratoire : Sous une pression normale, le carbone ne fond pas, mais passe immédiatement à l'état gazeux. Ce n'est que sous une pression extrême et à des températures d'environ 4 500 degrés Celsius - le point de fusion le plus élevé de tous les matériaux - que le carbone devient liquide. Aucun conteneur n'y résisterait.
La compression laser, en revanche, peut transformer le carbone solide en liquide pendant quelques fractions de seconde. Le défi consistait à utiliser ces fractions de seconde pour effectuer des mesures. C'est désormais chose faite à Schenefeld, près de Hambourg, grâce à l'European XFEL, le plus grand laser à rayons X du monde avec ses impulsions ultra-courtes, d'une manière inimaginable jusqu'à présent.
Une technologie de mesure unique dans cette combinaison
La combinaison unique du XFEL européen et du laser haute performance DIPOLE100-X a été déterminante pour le succès de l'expérience. Elle a été développée par le British Science and Technology Facilities Council et mise à la disposition des scientifiques du monde entier par le HIBEF User Consortium (Helmholtz International Beamline for Extreme Fields). Une communauté d'institutions de recherche internationales de premier plan, réunie dans la station expérimentale HED-HIBEF (High Energy Density) du XFEL européen, vient de combiner pour la première fois une puissante compression laser avec une analyse ultrarapide des rayons X et des détecteurs de rayons X de grande surface.
Dans cette expérience, les impulsions à haute énergie du laser DIPOLE100-X entraînent des ondes de compression à travers un échantillon de carbone solide et liquéfient le matériau pendant des nanosecondes, c'est-à-dire pendant un milliardième de seconde. Pendant cette nanoseconde, l'échantillon est irradié par le flash laser à rayons X ultra-courts du XFEL européen. Les atomes de carbone diffusent les rayons X, de la même manière que la lumière est diffractée par un réseau. La figure de diffraction permet de tirer des conclusions sur la disposition actuelle des atomes dans le carbone liquide.
L'expérience ne dure que quelques secondes, mais elle est répétée de nombreuses fois : chaque fois avec une impulsion de rayons X légèrement retardée ou dans des conditions de pression et de température légèrement différentes. De nombreux clichés se combinent pour former un film. Les chercheurs ont ainsi pu retracer la transition de la phase solide à la phase liquide, étape par étape.
Une structure semblable à celle de l'eau et un point de fusion précis
Les mesures ont révélé qu'avec quatre voisins les plus proches chacun, la systémique du carbone liquide est similaire à celle du diamant solide. "C'est la première fois que nous sommes en mesure d'observer expérimentalement la structure du carbone liquide. Notre expérience confirme les prédictions faites par des simulations sophistiquées du carbone liquide. Nous sommes en présence d'une forme complexe de liquide, comparable à l'eau, qui possède des propriétés structurelles très particulières", explique le chef du groupe de travail sur le carbone de la collaboration de recherche, le professeur Dominik Kraus de l'université de Rostock et du HZDR.
Les chercheurs ont également réussi à déterminer avec précision le point de fusion. Jusqu'à présent, les prédictions théoriques sur la structure et le point de fusion divergeaient considérablement. Or, une connaissance précise est cruciale pour la modélisation des planètes et certains concepts de production d'énergie par la fusion nucléaire.
La première expérience DIPOLE au XFEL européen ouvre également une nouvelle ère dans la mesure de la matière sous haute pression, comme le souligne le chef du groupe HED, le Dr Ulf Zastrau : "Nous disposons désormais de la boîte à outils nécessaire pour caractériser la matière dans des conditions très exotiques, avec un niveau de détail incroyable." Et le potentiel de l'expérience est loin d'être épuisé. À l'avenir, des résultats qui nécessitent actuellement plusieurs heures d'expérience pourraient être disponibles en quelques secondes - dès que le contrôle automatique complexe et le traitement des données seront suffisamment rapides.
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Publication originale
D. Kraus, J. Rips, M. Schörner, M. G. Stevenson, J. Vorberger, D. Ranjan, J. Lütgert, B. Heuser, J. H. Eggert, H.-P. Liermann, I. I. Oleynik, S. Pandolfi, R. Redmer, A. Sollier, C. Strohm, T. J. Volz, B. Albertazzi, S. J. Ali, L. Antonelli, C. Bähtz, O. B. Ball, S. Banerjee, A. B. Belonoshko, C. A. Bolme, V. Bouffetier, ... J. T. Willman, L. Wollenweber, U. Zastrau, E. Brambrink, K. Appel, M. I. McMahon; "The structure of liquid carbon elucidated by in situ X-ray diffraction"; Nature, 2025-5-21
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