I en överraskande prestation, ett team av forskare har förvandlat diamant till grafit, med hjälp av en röntgenlaser. Det som kan verka oönskat vid första anblicken, är ett avgörande steg framåt för att förstå det fasta beteendet hos fasta ämnen när de absorberar energisk strålning. För första gången, forskarna runt Franz Tavella från SLAC National Accelerator Laboratory i USA, Sven Toleikis från DESY och Beata Ziaja från DESY och Institute of Nuclear Physics i Krakow kunde följa grafitiseringen på ett tidslöst sätt. "Förutom dessa grundläggande aspekter, förståelse för grafitiseringsprocessen är viktigt för diamantbaserad teknik, eftersom diamant alltmer används för praktiska tillämpningar, "skriver forskarna i tidningen Fysik med hög energitäthet .

Diamant och grafit är olika former av kol som skiljer sig åt i sin inre kristallstruktur. Diamant är högtrycksfasen som bildas djupt i jorden. Under normala förhållanden, diamant är metastabil, vilket betyder att den konverterar tillbaka till grafit när processen initieras med tillräcklig energi. Det finns olika sätt att utlösa konvertering av diamant till grafit, till exempel genom att helt enkelt värma diamanten under uteslutning av syre eller till och med med ett riktat mekaniskt slag. Tvärtom fungerar också:Med värme och högt tryck, grafit kan omvandlas till syntetiska diamanter som redan har en ganska marknad över hela världen.

Teamet använde den italienska mjuka röntgenfri-elektron-laser FERMI för att skjuta ultrakorta blixtar på små diamantskivor med en tjocklek på bara 0,3 millimeter. Vanligtvis, om du skjuter så intensiva laserpulser mot fast material, det blir oordnat, eller, som forskarna kallar det, amorf. Diamant är ett annat exempel. Den kan byta sin interna struktur till en annan ordning, förvandlas därigenom till grafit. "I princip, det var känt att om du skickar tillräckligt med energi till diamant, det borde grafitisera, "förklarar Toleikis." Men det var inte känt exakt hur detta händer. "

Det finns två möjliga vägar:den vanliga så kallade termiska övergången under vilken den absorberade energin överförs till diamantens inre kristallgitter tills den omorganiserar sig i grafitstrukturen. Och ett icke-termiskt läge, där energin som absorberas av bara en liten del av elektronerna i diamanten förändrar den inre potentiella energiytan, utlöser ett omarrangemang av kristallgitteret. "Icke-termisk övergång är mycket snabbare än termisk, det senare inträffar på tidpunkterna för picosekunder, "förklarar medförfattaren Ziaja. En picosekund är en biljonedel av en sekund.

Utöver experimenten, DESY -forskarna Nikita Medvedev, Victor Tkachenko och Beata Ziaja hade utvecklat ett datorprogram för att simulera fasövergången i diamant framkallad av röntgenstrålar. "Vår kod förutsade att det skulle vara icke-termiskt, och våra experiment bekräftade att säger Ziaja, som arbetar på Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) i Hamburg, ett samarbete av DESY, universitetet i Hamburg och tyska Max Planck Society. Med FERMI:s korta röntgenpulser med ungefär bara femtosekunds varaktighet, forskarna kunde följa fasövergången och fann att det tar ungefär 150 femtosekunder. "Det är första gången som detta har observerats på ett tidslöst sätt, "understryker Toleikis. En femtosekund (en fjärdedel av en sekund) är tusen gånger kortare än en picosekund.

"Röntgenpulserna väcker elektronerna, "förklarar författaren Tavella." Om bara cirka 1,5 procent av elektronerna är upphetsade, kristallen börjar redan ändra sin interna organisation, vända till grafittillståndet. "Observationerna löser inte bara frågan om hur diamant grafitiserar när de exciteras med röntgen. De validerar också datorkoden som används för simuleringen." Vi kan nu också använda koden för andra material. Vi har redan gjort beräkningar för kisel och galliumarsenid, "säger Ziaja." Det kan användas för alla röntgenlaserexcitationsförsök. "På grund av den industriella betydelsen av diamant, dess stabilitet och frågan om grafitisering har undersökts under olika faktorer som högt tryck, glödgning och optiska lasrar. Tillkomsten av frielektronlasrar med sina ultrakorta pulser gjorde det nu möjligt för forskarna att följa fasövergången på en femtosekunds tidsskala.