De Europese XFEL-röntgenlaser opent nieuwe perspectieven voor hogedrukonderzoek:een internationaal team gebruikte de intense laserflitsen om voor het eerst monsters in zogenaamde diamanten aambeeldcellen bij de röntgenlaser te verwarmen en te analyseren. De experimenten overtroffen duidelijk de verwachtingen van de wetenschappers, zoals het 50-koppige team van experimentatoren onder leiding van Stewart McWilliams van de Universiteit van Edinburgh meldde na de voltooiing van de experimenten.

Diamanten aambeeldcellen (DAC) behoren tot de standaardinstrumenten die worden gebruikt door hogedrukonderzoekers. In hen, twee kleine en ultraharde diamanten aambeelden comprimeren kleine monsters, druk genereren zoals die in het binnenste van de aarde heerst. Op deze manier, geowetenschappers kunnen de omstandigheden binnen onze planeet simuleren en belangrijke informatie verkrijgen over de kern en de mantel van de aarde. "Tot dusver, we hebben alleen diamanten aambeeldcellen gebruikt op opslagringen zoals PETRA III, " legt DESY-mineroloog Hanns-Peter Liermann uit. "Tot voor kort, we hebben ze nooit in de veel sterkere straal van een vrije-elektronenlaser gehouden; we wisten niet eens of het wel zou werken."

Bij het High Energy Density (HED) instrument van de Europese XFEL, de onderzoekers hebben nu voor het eerst een nieuwe interactiekamer in gebruik genomen, die speciaal is ontworpen voor experimenten met diamanten aambeeldcellen bij de röntgenlaser. "Momenteel kan alleen Europese XFEL harde röntgenstralen leveren met een energie die hoog genoeg is om gemakkelijk door de diamanten aambeelden te dringen", zegt Ulf Zastrau, de groepsleider van HED. De vacuümkamer is voorzien van een revolver, met maximaal 6 DAC's voor snelle uitwisseling en geoptimaliseerd gebruik van de straaltijd, twee grote gebiedsdetectoren voor het opnemen van de diffractiepatronen en een optisch systeem voor het afbeelden van de monsters en contactloze (pyrometrische) temperatuurmeting.

De complexe opstelling is ontwikkeld door DESY als onderdeel van het consortium Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), waarin een aantal instituten onder leiding van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) de handen ineen hebben geslagen om onder extreme omstandigheden experimenten uit te voeren die alleen in deze vorm mogelijk zijn met de expertise van de partners en de bundeleigenschappen van de Europese XFEL.

Onder andere, de experimenten profiteren van de hoge hartslag van de Europese röntgenlaser, die kan genereren tot 27, 000 flitsen per seconde. Terwijl een eerste röntgenflits het in de cel samengeperste monster verwarmt en smelt, de daaropvolgende flits maakt het mogelijk de veranderingen in het monster nauwkeurig te meten, zelfs voordat het monster kan reageren met de cel. "Dit kan alleen op de Europese XFEL, " zegt Cornelius Strohm, die aan het hoofd staat van de HIBEF-groep bij DESY. "Alleen de Europese XFEL levert een voldoende aantal röntgenflitsen met hoge energie in korte opeenvolging." De hoge fotonenergie geeft wetenschappers meer details voor een betere structurele analyse van hun monsters.

In de eerste experimenten met DAC's op de Europese XFEL, het team richtte zich aanvankelijk op systematisch onderzoek als basis voor toekomstige experimenten. Bijvoorbeeld, de onderzoekers testten of de diamanten aambeeldcellen bestand zijn tegen meervoudige belichtingen met de intense röntgenpulsen van de Europese XFEL, of en hoe het monster met een eerste röntgenpuls kan worden verwarmd en onmiddellijk daarna met een volgende puls kan worden onderzocht, hoe de waargenomen temperatuur afhangt van het tijdsinterval tussen de pulsen, en of de intense röntgenflitsen chemische reacties veroorzaken tussen het monster en het drukoverdrachtsmedium of de diamanten.

Hoewel de onderzoekers nog maar aan het begin staan ​​van een gedetailleerde evaluatie van de uitgebreide gegevens, ze kunnen al rapporteren over de eerste waarnemingen:DAC's met een druk tot een miljoen atmosfeer zijn inderdaad bestand tegen meervoudige belichtingen met de straal van de Europese XFEL. Geschikte monsters kunnen sterk worden verwarmd door de röntgenstraal en, in sommige gevallen, gesmolten. Tenslotte, chemische reacties en fasetransformaties in monsters werden geïnduceerd en waargenomen door de röntgenstraal. Er zijn al voorstellen ingediend voor verdere experimenten om het volledige potentieel van de onderzoeksmogelijkheden met diamanten aambeeldcellen op het Europese XFEL te verkennen.