Vista de rayos X de carbono

La espectroscopia de alta resolución proporcionará información única sobre la química que ocurre en las profundidades de los planetas. Crédito: HZDR / U. Lehmann

Hay extremos en los núcleos de los planetas: temperaturas de miles de grados, presiones un millón de veces mayores que la presión atmosférica. Por lo tanto, solo se pueden explorar directamente hasta cierto punto, razón por la cual la comunidad de expertos intenta utilizar experimentos complejos para recrear condiciones adversas equivalentes. Un equipo de investigación internacional que incluye a Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha adaptado y probado con éxito un método de medición estática para estas condiciones extremas: Utilizando destellos de luz del láser de rayos X más potente del mundo, el equipo pudo observar más de cerca en el elemento importante, el carbono, junto con sus propiedades químicas. Como se menciona en la revista Física del plasma El método ahora tiene el potencial de proporcionar nuevos conocimientos sobre los planetas dentro y fuera de nuestro sistema solar.


El calor es inimaginable, la presión es enorme: las condiciones en el interior de Júpiter o Saturno aseguran que la materia allí exhiba un estado extraordinario: es tan densa como el metal pero al mismo tiempo cargada eléctricamente como el plasma. “Nos referimos a este estado como materia densa y cálida”, explica Dominic Krause, físico de HZDR y profesor de la Universidad de Rostock. “Es un estado de transición entre el sólido y el plasma que se encuentra en el interior de los planetas, aunque también puede ocurrir brevemente en la Tierra, por ejemplo, durante los impactos de meteoritos”. Examinar este estado de la materia con todo detalle en el laboratorio es un proceso complejo que implica, por ejemplo, disparar potentes destellos láser a una muestra y, en un abrir y cerrar de ojos, calentarla y condensarla.

Pero, ¿qué son los archivos? Propiedades químicas De esta materia cálida densa realmente me gusta? Hasta ahora, los métodos actuales solo han producido respuestas insatisfactorias a esta pregunta. Entonces, un equipo de seis países ha ideado algo nuevo, basado en el láser de rayos X más poderoso del mundo, el XFEL europeo en Hamburgo. En un acelerador de un kilómetro de largo, se generan pulsos de rayos X extremadamente cortos e intensos. “Dirigimos los pulsos en finas escamas de carbono”, dice la autora principal Katja Voigt del Instituto HZDR de Radiofísica. “Estaba hecho de grafito o diamante”. En los chips, un pequeño porcentaje de los destellos de rayos X se dispersan sobre los electrones y su entorno inmediato. Lo importante es que los destellos dispersos pueden revelar qué tipo de enlace químico se han formado los átomos de carbono con su entorno.

Tras las dudas surgió la sorpresa conocida como dispersión Raman de rayos X, los investigadores en campos como la ciencia de los materiales han utilizado este método durante mucho tiempo. Pero por primera vez, el equipo alrededor de Voigt y Kraus pudo configurarlo para experimentos para explorar la materia cálida y densa. “Algunos expertos se mostraron escépticos de que pudiera funcionar”, explica Krause. Los detectores, en particular, que deben captar señales de rayos X emitidas por chips de carbón, deben ser muy eficientes y de alta resolución, un desafío técnico importante. Pero el análisis de los datos de medición mostró claramente los estados de enlace en los que ingresó el carbono. “Nos sorprendió un poco que funcionara tan bien”, dice Voigt. Si van a aplicar el método a material denso cálidoSin embargo, todavía faltaba algo: potentes destellos láser que empujarían los chips de carbono a altas presiones y temperaturas de varios 100.000 grados. Para este propósito, la recientemente inaugurada Helmholtz International Beamline Extreme Fields Line (HIBEF) opera bajo los auspicios de HZDR en European XFEL. Es una de las instalaciones de investigación más modernas del mundo con un láser de alto rendimiento que puede realizar los primeros experimentos Raman de rayos X en unos pocos meses. “Soy muy optimista de que funcionará”, dice Dominic Krause.

El cometa se estrella en el laboratorio: este método podría facilitar muchos conocimientos científicos diferentes: por un lado, no está claro cuántos elementos fotogénicos como el carbono o el silicio hay en el núcleo de la Tierra. Los experimentos de laboratorio pueden producir indicaciones importantes. “El nuevo método no se limita al carbono, sino que se puede aplicar a otros elementos fotónicos”, explica Katja Voigt. Otra pregunta para explorar tiene que ver con el interior de los llamados gigantes gaseosos como Júpiter y gigantes de hielo como Neptuno. Aquí tendrán lugar reacciones químicas complejas, como ocurre en exoplanetas distantes de estatura similar. Debería ser posible reactivar estos procesos en el laboratorio utilizando el método Raman de rayos X. “Quizás sea posible resolver el misterio de las reacciones responsables de planetas como Neptuno y Saturno que emiten más energía de la que realmente deberían”, espera Krause.

Además, este nuevo método debería permitir a los científicos simular colisiones de cometas en una escala en miniatura: si los cometas ya hubieran transportado materia orgánica a la Tierra de uno en uno, ¿podría el colapso haber desencadenado reacciones químicas que favorecieran la evolución de la vida? E incluso este método tiene potencial para aplicaciones técnicas: en principio, parece posible, en condiciones extremas, formar nuevos materiales que pueden mostrar propiedades notables. Un ejemplo de esto podría ser un superconductor que opera en Temperatura ambiente No requiere una refrigeración compleja como los materiales existentes. Un superconductor a temperatura ambiente de este tipo sería de gran interés técnico porque podría conducir la electricidad completamente sin pérdidas sin tener que enfriarse con nitrógeno líquido o helio líquido.


Antimateria de alicates láser


más información:
Dominic Krause et al, Demostración de una configuración de espectrómetro Raman de rayos X para el estudio de carbono denso cálido con un instrumento de alta densidad de energía en el XFEL europeo, Física del plasma (2021). DOI: 10.1063 / 5.0048150

La frase: Vista de rayos X del carbono (2021, 5 de octubre) Recuperado el 5 de octubre de 2021 de https://phys.org/news/2021-10-x-ray-view-carbon.html

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