We present measurements of the complex ion structure of warm dense carbon close to the melting line at pressures around 100 GPa. High-pressure samples were created by laser-driven shock compression of graphite and probed by intense laser-generated x-ray sources with photon energies of 4.75 keV and 4.95 keV. High-efficiency crystal spectrometers allow for spectrally resolving the scattered radiation. Comparing the ratio of elastically and inelastically scattered radiation, we find evidence for a complex bonded liquid that is predicted by ab-initio quantum simulations showing the influence of chemical bonds under these conditions. Using graphite samples of different initial densities we demonstrate the capability of spectrally resolved x-ray scattering to monitor the carbon solid-liquid transition at relatively constant pressure of 150 GPa. Showing first single-pulse scattering spectra from cold graphite of unprecedented quality recorded at the Linac Coherent Light Source, we demonstrate the outstanding possibilities for future high-precision measurements at 4th Generation Light Sources.
References
1.
M. P.
Grumbach
and R. M.
Martin
, Phys. Rev. B
54
, 15730
(1996
).2.
X.
Wang
, S.
Scandolo
, and R.
Car
, Phys. Rev. Lett.
95
, 185701
(2005
).3.
A. A.
Correa
, S. A.
Bonev
, and G.
Galli
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
103
, 1204
(2006
).4.
A. A.
Correa
, L. X.
Benedict
, D. A.
Young
, E.
Schwegler
, and S. A.
Bonev
, Phys. Rev. B
78
, 024101
(2008
).5.
L. X.
Benedict
, K. P.
Driver
, S.
Hamel
, B.
Militzer
, T.
Qi
, A. A.
Correa
, A.
Saul
, and E.
Schwegler
, Phys. Rev. B
89
, 224109
(2014
).6.
D.
Batani
, F.
Strati
, H.
Stabile
, M.
Tomasini
, G.
Lucchini
, A.
Ravasio
, M.
Koenig
, A.
Benuzzi-Mounaux
, H.
Nishimura
, Y.
Ochi
et al., Phys. Rev. Lett.
92
, 065503
(2004
).7.
M. D.
Knudson
, M. P.
Desjarlais
, and D. H.
Dolan
, Science
322
, 1822
(2008
).8.
J. H.
Eggert
, D. G.
Hicks
, P. M.
Celliers
, D. K.
Bradley
, R. S.
MacWilliams
, R.
Jeanloz
, J. E.
Miller
, T. R.
Boehly
, and G. W.
Collins
, Nat. Phys.
6
, 40
(2010
).9.
A.
Pelka
, G.
Gregori
, D. O.
Gericke
, J.
Vorberger
, S. H.
Glenzer
, M. M.
Günther
, K.
Harres
, R.
Heathcote
, A. L.
Kritcher
, N. L.
Kugland
et al., Phys. Rev. Lett.
105
, 265701
(2010
).10.
D.
Kraus
, J.
Vorberger
, D. O.
Gericke
, V.
Bagnoud
, A.
Blazevic
, W.
Cayzac
, A.
Frank
, G.
Gregori
, A.
Ortner
, A.
Otten
et al., Phys. Rev. Lett.
111
, 255501
(2013
).11.
T. G.
White
, J.
Vorberger
, C. R. D.
Brown
, B. J. B.
Crowley
, P.
Davis
, S. H.
Glenzer
, J. W. O.
Harris
, D. C.
Hochhaus
, S.
Le Pape
, T.
Ma
et al., Sci. Rep.
2
, 889
(2012
).12.
K.
Falk
, E. J.
Gamboa
, G.
Kagan
, D. S.
Montgomery
, B.
Srinivasan
, P.
Tzeferacos
, and J. F.
Benage
, Phys. Rev. Lett.
112
, 155003
(2014
).13.
14.
W. B.
Hubbard
, W. J.
Nellis
, A. C.
Mitchell
, N. C.
Holmes
, S. S.
Limaye
, and P. C.
MacCandless
, Science
253
, 648
(1991
).15.
B. L.
Sherman
, H. F.
Wilson
, D.
Weeraratne
, and B.
Militzer
, Phys. Rev. B
86
, 224113
(2012
).16.
C.
Cavazzoni
, G. L.
Chiarotti
, S.
Scandolo
, E.
Tossati
, M.
Bernasconi
, and M.
Parrinello
, Science
283
, 44
(1999
).17.
M.
French
, T. R.
Mattsson
, N.
Nettelmann
, and R.
Redmer
, Phys. Rev. B
79
, 054107
(2009
).18.
S.
Stanley
and J.
Bloxham
, Nature
428
, 151
(2004
).19.
N.
Madhusudhan
, K. K. M.
Lee
, and O.
Mousis
, Astrophys. J. Lett.
759
, L40
(2012
).20.
J. D.
Lindl
, P.
Amendt
, R. L.
Berger
, S. G.
Glendinning
, S. H.
Glenzer
, S. W.
Haan
, R. L.
Kauffman
, O. L.
Landen
, and L. J.
Suter
, Phys. Plasmas
11
, 339
(2004
).21.
A. J.
MacKinnon
, N. B.
Meezan
, J. S.
Ross
, S.
Le Pape
, L.
Berzak Hopkins
, L.
Divol
, D.
Ho
, J.
Milovich
, A.
Pak
, J.
Ralph
et al., Phys. Plasmas
21
, 056318
(2014
).22.
J. R.
Rygg
, J. H.
Eggert
, A. E.
Lazicki
, F.
Coppari
, J. A.
Hawreliak
, D. G.
Hicks
, R. F.
Smith
, C. M.
Sorce
, T. M.
Uphaus
, B.
Yaakobi
, and G. W.
Collins
, Rev. Sci. Instrum.
83
, 113904
(2012
).23.
V.
Recoules
and S.
Mazevet
, Phys. Rev. B
80
, 064110
(2009
).24.
S. H.
Glenzer
and R.
Redmer
, Rev. Mod. Phys.
81
, 1625
(2009
).25.
E.
Garcia Saiz
, G.
Gregori
, D. O.
Gericke
, J.
Vorberger
, B.
Barbrel
, R. J.
Clarke
, R. R.
Freeman
, S. H.
Glenzer
, F. Y.
Khattak
et al., Nat. Phys.
4
, 940
(2008
).26.
T.
Ma
, T.
Döppner
, R. W.
Falcone
, L.
Fletcher
, C.
Fortmann
, D. O.
Gericke
, O. L.
Landen
, H. J.
Lee
, A.
Pak
, J.
Vorberger
et al., Phys. Rev. Lett.
110
, 065001
(2013
).27.
S.
White
, G.
Nersisyan
, B.
Kettle
, T. W. J.
Dzelzainis
, K.
McKeever
, C. L. S.
Lewis
, A.
Otten
, K.
Siegenthaler
, D.
Kraus
, M.
Roth
et al., High Energy Density Phys.
9
, 573
(2013
).28.
J.
Sheffield
, D.
Froula
, S. H.
Glenzer
, and N. C.
Luhmann
, Plasma Scattering of Electromagnetic Radiation
2nd ed. (Academic Press
, New York
, 2010
).29.
B. J. B.
Crowley
and G.
Gregori
, New J. Phys.
15
, 015014
(2013
).30.
J.
Chihara
, J. Phys.: Condens. Matter
12
, 231
(2000
).31.
J.
Chihara
, J. Phys. F: Met. Phys.
17
, 295
(1987
).32.
R.
James
, The Optical Principals of the Diffraction of X-Rays
(Ox Bow Press
, London
, 1962
).33.
G.
Gregori
, S. H.
Glenzer
, W.
Rozmus
, R. W.
Lee
, and O. L.
Landen
, Phys. Rev. E
67
, 26412
(2003
).34.
G.
Gregori
, S. H.
Glenzer
, F. J.
Rogers
, S. M.
Pollaine
, O. L.
Landen
, C.
Blancard
, G.
Faussurier
, P.
Renaudin
, S.
Kuhlbrodt
, and R.
Redmer
, Phys. Plasmas
11
, 2754
(2004
).35.
G.
Kresse
and J.
Hafner
, Phys. Rev. B
47
, 558
(1993
).36.
G.
Kresse
and J.
Hafner
, Phys. Rev. B
49
, 14251
(1994
).37.
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Comput. Mater. Sci.
6
, 15
(1996
).38.
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Phys. Rev. B
54
, 11169
(1996
).39.
K.
Wünsch
, J.
Vorberger
, and D. O.
Gericke
, Phys. Rev. E
79
, 010201(R)
(2009
).40.
J. H.
Los
and A.
Fasolino
, Phys. Rev. B
68
, 024107
(2003
).41.
D.
Kraus
, A.
Otten
, A.
Frank
, V.
Bagnoud
, A.
Blazevic
, D. O.
Gericke
, G.
Gregori
, A.
Ortner
, G.
Schaumann
, D.
Schumacher
et al., High Energy Density Phys.
8
, 46
(2012
).42.
M.
Börner
, J.
Fils
, A.
Frank
, A.
Blazevic
, T.
Hessling
, A.
Pelka
, G.
Schaumann
, A.
Schökel
, D.
Schumacher
, M. M.
Basko
et al., Rev. Sci. Instrum.
83
, 043501
(2012
).43.
J.
Helfrich
, D.
Kraus
, A.
Ortner
, S.
Frydrych
, G.
Schaumann
, N.
Hartley
, G.
Gregori
, B.
Kettle
, D.
Riley
, D. C.
Carroll
et al., “Investigation of the solid-liquid transition of carbon at 150 GPa using spectrally resolved x-ray scattering
,” High Energy Density Phys.
14
, 38
(2015
).44.
Y. B.
Zeldovic
and Y. P.
Raizer
, Physics of Shock Waves and High-Temperature Hydrodynamic Phenomena
(Academic Press
, New York
, 1966
).45.
A. L.
Kritcher
, P.
Neumayer
, J.
Castor
, T.
Döppner
, R. W.
Falcone
, O. L.
Landen
, H. J.
Lee
, E. C.
Morse
, A.
Ng
, S.
Pollaine
et al., Science
322
, 69
(2008
).46.
A. L.
Kritcher
, P.
Neumayer
, M. K.
Urry
, H.
Robey
, C.
Niemann
, O. L.
Landen
, E.
Morse
, and S. H.
Glenzer
, High Energy Density Phys.
3
, 156
(2007
).47.
J. J.
MacFarlane
, I. E.
Golovkin
, and P. R.
Woodruff
, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
99
, 381
(2006
)48.
R.
Ramis
, J.
Meyer-ter-Vehn
, and J.
Ramires
, Comput. Phys. Commun.
180
, 977
(2008
).49.
S. P.
Lyon
and J. D.
Johnson
, “SESAME: The Los Alamos National Laboratory Equation of State Database
,” LANL Report No. LA-UR-92-3407
, 1992
.50.
M.
van Thiel
, “Compendium of shock wave data
,” Lawrence Livermore Laboratory Report No. UCRL-50108
, 1977
.51.
S. P.
Marsh
, LASL Shock Hugoniot Data
(University of California Press
, Berkeley, CA
, 1980
).52.
W. H.
Gust
, Phys. Rev. B
22
, 4744
(1980
).53.
54.
M.
Gauthier
, L. B.
Fletcher
, A.
Ravasio
, E.
Galtier
, E. J.
Gamboa
, E.
Granados
, J. B.
Hastings
, P.
Heimann
, H. J.
Lee
, B.
Nagler
et al., Rev. Sci. Instrum.
85
, 11E616
(2014
).55.
D.
Milathianaki
, S.
Boutet
, G. J.
Williams
, A.
Higginbotham
, D.
Ratner
, A. E.
Gleason
, M.
Messerschmidt
, M. M.
Seibert
, D. C.
Swift
, P.
Hering
et al., Science
342
, 220
(2013
).56.
L. B.
Fletcher
, E.
Galtier
, P.
Heimann
, H. J.
Lee
, B.
Nagler
, J.
Welch
, U.
Zastrau
, J. B.
Hastings
, and S. H.
Glenzer
, J. Instrum.
8
, C11014
(2013
).© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
