Met een verrassende prestatie, een team van wetenschappers heeft diamant in grafiet veranderd, met behulp van een röntgenlaser. Wat op het eerste gezicht onwenselijk lijkt, is een beslissende stap voorwaarts in het begrijpen van het fundamentele gedrag van vaste stoffen wanneer ze energetische straling absorberen. Voor de eerste keer, de onderzoekers rond Franz Tavella van SLAC National Accelerator Laboratory in de VS, Sven Toleikis van DESY en Beata Ziaja van DESY en het Institute of Nuclear Physics in Krakau waren in staat om de grafitisering op een tijdsopgeloste manier te volgen. "Naast deze fundamentele aspecten, het begrijpen van het grafitiseringsproces is belangrijk voor op diamant gebaseerde technologieën, aangezien diamant steeds vaker wordt gebruikt voor praktische toepassingen, " schrijven de wetenschappers in het tijdschrift Fysica met hoge energiedichtheid .

Diamant en grafiet zijn verschillende vormen van koolstof die verschillen in hun innerlijke kristalstructuur. Diamant is de hogedrukfase die zich diep in de aarde vormt. Onder normale omstandigheden, diamant is metastabiel, wat betekent dat het weer wordt omgezet in grafiet wanneer het proces met voldoende energie wordt gestart. Er zijn verschillende manieren om de conversie van diamant naar grafiet te activeren, bijvoorbeeld door simpelweg de diamant te verhitten onder uitsluiting van zuurstof of zelfs met een gerichte mechanische slag. Omgekeerd werkt het ook:bij hitte en hoge druk, grafiet kan worden omgezet in synthetische diamanten die wereldwijd al een behoorlijke markt hebben.

Het team gebruikte de Italiaanse zachte röntgenvrije-elektronenlaser FERMI om ultrakorte flitsen te schieten op kleine diamantschijfjes met een dikte van slechts 0,3 millimeter. Gebruikelijk, als je zulke intense laserpulsen op vaste materie schiet, het wordt ongeordend, of, zoals de wetenschappers het noemen, amorf. Diamant is een ander voorbeeld. Het kan zijn interne structuur in een andere volgorde veranderen, waardoor het in grafiet verandert. "In principe, het was bekend dat als je genoeg energie in diamant stuurt, het zou moeten grafietiseren, " legt Toleikis uit. "Maar het was niet precies bekend hoe dit gebeurt."

Er zijn twee mogelijke paden:de gemeenschappelijke zogenaamde thermische overgang waarbij de geabsorbeerde energie wordt overgebracht naar het interne kristalrooster van de diamant totdat het zichzelf reorganiseert in de grafietstructuur. En een niet-thermische modus, waar de energie die door slechts een klein deel van de elektronen in de diamant wordt geabsorbeerd, het interne potentiële energieoppervlak verandert, het veroorzaken van een herschikking van het kristalrooster. "Niet-thermische overgang is veel sneller dan thermische, de laatste gebeurt op picoseconde tijdschalen, " legt co-auteur Ziaja uit. Een picoseconde is een biljoenste van een seconde.

Naast de experimenten, de DESY-onderzoekers Nikita Medvedev, Victor Tkachenko en Beata Ziaja hadden een computerprogramma ontwikkeld om de door röntgenstraling geïnduceerde faseovergang in diamant te simuleren. "Onze code voorspelde dat het niet-thermisch zou zijn, en onze experimenten bevestigden dat, " zegt Ziaja, die werkt bij het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg, een samenwerking van DESY, de Universiteit van Hamburg en de Duitse Max Planck Society. Met FERMI's korte röntgenpulsen van ongeveer 50 femtoseconden, de wetenschappers konden de faseovergang volgen en ontdekten dat het ongeveer 150 femtoseconden duurt. "Het is de eerste keer dat dit op een in de tijd opgeloste manier is waargenomen, " onderstreept Toleikis. Een femtoseconde (een quadriljoenste van een seconde) is duizend keer korter dan een picoseconde.

"De röntgenpulsen prikkelen de elektronen, ", legt eerste auteur Tavella uit. "Als ongeveer 1,5 procent van de elektronen wordt geëxciteerd, het kristal begint zijn interne organisatie al te veranderen, flipping naar de grafiettoestand." De waarnemingen lossen niet alleen de vraag op hoe diamant grafiet wanneer ze worden geëxciteerd met röntgenstralen. Ze valideren ook de computercode die voor de simulatie is gebruikt. "We kunnen de code nu ook voor andere materialen gebruiken. We hebben al berekeningen gemaakt voor silicium en galliumarsenide, ", zegt Ziaja. "Het kan worden gebruikt voor alle experimenten met röntgenlaserexcitatie." Vanwege het industriële belang van diamant, de stabiliteit en de kwestie van grafitisering is onderzocht onder verschillende factoren zoals hoge druk, gloeien en optische lasers. De komst van vrije-elektronenlasers met hun ultrakorte pulsen stelde de onderzoekers nu in staat om de faseovergang op een femtoseconde tijdschaal te volgen.