Het ultrasnelle smelten van diamant onder intense röntgenstraling is voor het eerst gevisualiseerd door RIKEN-onderzoekers. Deze observatie zal wetenschappers helpen bij het verbeteren van experimentele methoden die röntgenpulsen met hoge intensiteit gebruiken om de structuren van materialen te bepalen.

theoretisch, om een ​​diamant te smelten, moet je hem in een oven plaatsen en de temperatuur op meer dan 3 zetten, 500 graden Celsius (in feite het zou ruim voor het smelten in grafiet veranderen). Maar wetenschappers van RIKEN hebben diamant zien smelten bij veel lagere temperaturen door erop te slaan met ultrakorte pulsen van een röntgenvrije-elektronenlaser (XFEL).

XFEL's zijn krachtige instrumenten die al iets meer dan een decennium beschikbaar zijn. Ze produceren treinen van intense röntgenpulsen die kunnen worden gebruikt om de structuur en dynamiek van vele soorten monsters te bestuderen. Hun vermogen om individuele atomen af ​​te beelden op een tijdschaal van femtoseconden (quadrillionste van een seconde) maakt ze ideaal voor het tot in detail bestuderen van biologische en chemische processen en materiële structuren.

Van XFEL-pulsen is bekend dat ze veel elektronen tegelijk opwekken, onomkeerbare stoornis in het monster veroorzaken. Maar het exacte mechanisme waardoor deze schade optreedt, was onbekend.

Nutsvoorzieningen, Ichiro Inoue en Makina Yabashi, beide van het RIKEN SPring-8 Center, samen met hun medewerkers, een techniek hebben gebruikt die een eerste röntgenpuls gebruikt om een ​​monster te exciteren, en een tweede puls met verschillende energie en een kleine vertraging om de effecten van de eerste puls te onderzoeken. Met deze methode konden ze nauwlettend volgen wat er in het monster gebeurde nadat het door de röntgenstralen was geraakt.

De experimenten werden uitgevoerd bij de SPring-8 Angstrom Compacte vrije elektronenlaser (SACLA), die in 2011 de tweede XFEL ter wereld werd die operationeel werd. "Van de XFEL-faciliteiten in de wereld, SACLA heeft de unieke mogelijkheid om ultra-intensieve, dubbele röntgenpulsen met verschillende golflengten, " merkt Yabashi op. "Deze eigenschap is wenselijk voor het uitvoeren van het huidige type nieuw onderzoek."

De onderzoekers visualiseerden de verdeling van ladingen rond de koolstofatomen in een diamantmonster na XFEL-bestraling. De koolstof-koolstofbindingen braken na ongeveer 5 femtoseconden, en de atomen begonnen zich te gedragen als geïsoleerde atomen, verplaatsen van hun oorspronkelijke positie en het materiaal doen smelten.

Deze tijdschaal is veel sneller dan het verbreken van de binding veroorzaakt door verwarming, en ondersteunende simulaties toonden aan dat het smelten inderdaad niet-thermisch is. In plaats daarvan, het wordt veroorzaakt door een wijziging van de potentiële energie die door de atomen wordt gevoeld.

Een dergelijk niet-thermisch smelten zal naar verwachting plaatsvinden in veel XFEL-experimenten, en is dus een belangrijke factor om te overwegen bij elke studie van structuurbepaling met XFEL-pulsen.