Den europeiska röntgenlasern XFEL öppnar nya perspektiv för högtrycksforskning:Ett internationellt team använde de intensiva laserblixtarna för att värma och analysera prover i så kallade diamantstädceller vid röntgenlasern för första gången. Experimenten överträffade klart forskarnas förväntningar, som det 50-starka team av experimentalister under ledning av Stewart McWilliams från University of Edinburgh rapporterade efter avslutat experiment.

Diamantstädceller (DAC) tillhör standardinstrumenten som används av högtrycksforskare. I dem, två små och extremt hårda diamantstäd komprimerar små prover, generera tryck som de som råder i jordens inre. Den här vägen, geovetare kan simulera förhållandena inne på vår planet och få viktig information om jordens kärna och mantel. "Än så länge, vi har använt diamantstädceller på lagringsringar som PETRA III endast, "förklarar DESY mineralogen Hanns-Peter Liermann." Tills nyligen har vi höll dem aldrig i den mycket starkare strålen i en frielektronlaser; vi visste inte ens om det skulle fungera alls. "

Vid instrumentet High Energy Density (HED) i den europeiska XFEL, forskarna satte nu en ny interaktionskammare i drift för första gången, som är speciellt utformad för experiment med diamantstädceller vid röntgenlasern. "För närvarande kan bara europeisk XFEL leverera hårda röntgenstrålar med en energi som är tillräckligt hög för att enkelt tränga in i diamantstädet" säger Ulf Zastrau, gruppledare för HED. Vakuumkammaren har en revolver, rymmer upp till 6 DAC för snabb utbyte och optimerad användning av stråltid, två detektorer för stor area för registrering av diffraktionsmönstren samt ett optiskt system för avbildning av proverna och beröringsfri (pyrometrisk) temperaturmätning.

Den komplexa installationen utvecklades av DESY som en del av konsortiet Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), där ett antal institut under ledning av Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har gått samman för att utföra experiment under extrema förhållanden som endast är möjliga i denna form med expertis från partnerna och Europas stråleegenskaper XFEL.

Bland annat, experimenten drar nytta av den snabba pulsfrekvensen för den europeiska röntgenlasern, som kan generera upp till 27, 000 blinkar per sekund. Medan en första röntgenblixt värmer och smälter provet komprimerat i cellen, den efterföljande blixten gör att förändringarna i provet kan mätas exakt - även innan provet kan reagera med cellen. "Detta är endast möjligt vid den europeiska XFEL, "säger Cornelius Strohm, som leder HIBEF -gruppen på DESY. "Endast den europeiska XFEL ger ett tillräckligt antal röntgenblixtar med hög energi på kort tid." Den höga fotonenergin ger forskare mer detaljer för en bättre strukturanalys av sina prover.

I de första experimenten med DAC vid European XFEL, laget fokuserade inledningsvis på systematiska undersökningar som grund för framtida experiment. Till exempel, forskarna testade om diamantstädcellerna tål flera exponeringar med de intensiva röntgenpulserna från den europeiska XFEL, huruvida och hur provet kan värmas med en första röntgenpuls och sedan undersökas med en ytterligare puls omedelbart efteråt, hur den observerade temperaturen beror på tidsintervallet mellan pulserna, och om de intensiva röntgenblixtarna utlöser kemiska reaktioner mellan provet och trycköverföringsmediet eller diamanterna.

Medan forskarna bara är i början av en detaljerad utvärdering av de omfattande uppgifterna, de kan redan rapportera om inledande observationer:DAC med tryck på upp till en miljon atmosfärer tål verkligen flera exponeringar med strålen från den europeiska XFEL. Lämpliga prover kan värmas starkt av röntgenstrålen och i vissa fall, smält. Sist men inte minst, kemiska reaktioner och fasomvandlingar inom prover inducerades och observerades av röntgenstrålen. Förslag till ytterligare experiment har redan lämnats in för att utforska den fulla potentialen i forskningsmöjligheterna med diamantstamceller vid den europeiska XFEL.