Microscopic investigation of laser shocked amorphous Ge

Germanium is an important group IV element which shows polymorphism both in solid and in liquid phases: it is the property by which a material can assume different structures in the same phase. It is considered a model system to investigate liquid-liquid or amorphous-amorphous transitions. Studying Germanium under extreme conditions allows to explore wide ranges of the phase diagram in which these transitions are supposed to occur. The interest of exploring Germanium states under extreme conditions extends also to planetary science, since Ge is expected to be found in planets and stars interiors, and in particular in the Earth core. The objective of this work is to investigate the behavior of amorphous Germanium under extreme conditions of pressure and temperature, reached through laser-induced shock wave compression. It is a specific type of dynamic compression in which an ablator layer is hit with a high intensity laser, inducing plasma formation and expansion. The latter generates a shock wave in the target sample. The shocked state has a short lifetime, in the order of nanoseconds. The microscopic investigation of Germanium sample is performed using the High Power Laser Facility (HPLF) at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). The experiment is carried out coupling ultra fast X-ray absorption spectroscopy to laser-driven shock compression. Since this is the first time that Germanium is studied up to these extreme conditions of pressure and temperature, this work adds important information about some of the unexplored region of its phase diagram.

Il Germanio è un importante elemento del gruppo IV che mostra polimorfismo sia nella fase solida che in quella liquida: si tratta della proprietà per cui un materiale può assumere diverse strutture nella medesima fase. Esso è considerato un sistema modello per lo studio delle transizioni liquido-liquido o amorfo-amorfo. Studiare il Germanio in condizioni estreme permette di esplorare vaste aree del diagramma di fase in cui si ipotizza che tali transizioni avvengano. L’interesse nell’esplorazione degli stati del Germanio in condizioni estreme si estende anche alle scienze planetarie, dato che si prevede la presenza di Ge all’interno di pianeti e stelle, in particolare nel nucleo terrestre. L’obiettivo di questo lavoro è studiare il comportamento del Germanio amorfo in condizioni estreme di pressione e temperatura, raggiunte mediante la compressione da onde d’urto indotta da un laser. Si tratta di una specifica tipologia di compressione dinamica in cui uno strato di ablatore viene colpito da un impulso laser ad alta intensità, inducendo la formazione e l’espansione di un plasma. Quest’ultima genera un’onda d’urto nel campione. Lo stato generato dallo shock ha una durata breve, nell’ordine dei nanosecondi. L’analisi microscopica del campione di Germanio viene effettuata utilizzando la High Power Laser Facility (HPLF) presso l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). L’esperimento viene condotto accoppiando la spettroscopia di assorbimento a raggi X ultraveloce alla compressione da shock generata da un laser. Poiché questa è la prima volta che il Germanio viene studiato fino a tali condizioni estreme di pressione e temperatura, questo lavoro aggiunge informazioni importanti su alcune regioni finora inesplorate del suo diagramma di fase.