高密度材料的捷径

国际集团在欧洲x射线自由电子激光器(XFEL)建立新型高压实验

欧洲XFEL高能密度仪实验箱

一组国际研究人员开创了一种进行静态高压高温实验的新方法，他们在欧洲XFEL x射线激光器中使用所谓的金刚石-砧电池，并发现了一种新的、更快的生产氮化铁的方法，这为高密度数据存储和其他应用提供了前景。科学家们在两份出版物上报告了他们的研究结果。

氮化物是氮(N)和其他元素的化合物。过渡金属如铁(Fe)的氮化物由于其广泛的磁性、电学和力学性能而成为一种重要的工业相关材料。韩国延世大学的Yongjae Lee说:“特别是氮化铁已经获得了工业界的兴趣，因为它可能应用于高密度磁性记录介质、催化材料以及高耐磨和耐腐蚀材料。”李领导的一个团队现在已经发现了一种新的、极其快速的合成氮化铁的方法，科学家们在《物理化学快报》上发表了这一报告。

在他们的研究中，研究人员跟踪了在5万倍大气压下x射线轰击下，在金刚石砧细胞(dac)中铁箔与氮的反应——该细胞在实验中使用超强钻石挤压物质。

铁箔与氮气之间的反应是由欧洲XFEL的一系列超亮x射线脉冲引发的。“x射线脉冲可以用来激发和探测化学反应，”主要作者黄惠桢解释说。“我们估计，通过改变入射x射线脉冲的功率和重复率，可以达到高达5400摄氏度的样本温度。”在正确的脉冲条件下，铁与氮发生化学反应，形成了ε-Fe3N1.33的氮化铁。

“这种产物，均质氮化铁，只花了几百纳秒就形成了，这是非常不寻常的，”合著者、来自DESY的高压物理专家汉斯-彼得·利尔曼说。通常，原子氮在数百秒的反应时间内扩散到固体铁中，形成氮化铁层，在加热的金刚石砧细胞中，二氮化铁在类似的时间尺度下形成。”一纳秒是十亿分之一秒。所以，新路径大约快十亿倍。

Liermann计算说:“一个脉冲包含大约1000亿个光子，所有脉冲到达样品并引发反应的累积能量约为3毫焦耳。”该团队已经证明，强x射线激光脉冲可以用来提供必要的能量，以启动独特的化学反应，并被用于“泵探测”实验，以跟踪在高压环境中被挥发介质包围的固体反应的演化。

“在极端压力和温度下，对原子序数不同的多种反应物进行系统的化学反应性探索，预计将发现迄今未知的途径，不仅是与工业相关的化合物，还有一些化合物是理解天体物理物体和过程的化学过程所需要的。”Valerio Cerantola解释道，他是欧洲XFEL HED小组的实验和仪器科学家的本地联系人。

由爱丁堡大学的斯图尔特·麦克威廉姆斯(Stewart McWilliams)领导，来自22个机构的40多名国际科学家在欧洲XFEL进行了一系列新的静态高压实验，该实验只是其中之一。在进行这些实验时，该团队委托Helmholtz国际极端场束线(HIBEF)联盟为欧洲XFEL的高能密度(HED)仪器设计了新的静态高压金刚石砧盒设置，以利用欧洲XFEL前所未有的X射线脉冲时间分辨率创建和研究这些极端压力和温度条件。该小组在《同步辐射杂志》上描述了用这种新颖的实验装置进行研究的概念。