Forskere ser diamant blive til grafit

I en overraskende præstation, et team af forskere har forvandlet diamant til grafit, ved hjælp af en røntgenlaser. Hvad kan virke uønsket ved første øjekast, er et afgørende skridt fremad i forståelsen af ​​faststoffers grundlæggende adfærd, når de absorberer energisk stråling. For første gang, forskerne omkring Franz Tavella fra SLAC National Accelerator Laboratory i USA, Sven Toleikis fra DESY og Beata Ziaja fra DESY og Institute of Nuclear Physics i Krakow kunne følge grafitiseringen på en tidsbestemt måde. "Ud over disse grundlæggende aspekter, forståelse af grafitiseringsprocessen er vigtig for diamantbaserede teknologier, da diamant i stigende grad bruges til praktiske anvendelser, "skriver forskerne i tidsskriftet Fysik med høj energitæthed .

Diamant og grafit er forskellige former for kulstof, der adskiller sig i deres indre krystalstruktur. Diamant er højtryksfasen, der dannes dybt i jorden. Under normale forhold, diamant er metastabil, hvilket betyder, at den konverterer tilbage til grafit, når processen startes med tilstrækkelig energi. Der er forskellige måder at udløse konvertering af diamant til grafit, for eksempel ved blot at opvarme diamanten under udelukkelse af ilt eller endda med et målrettet mekanisk slag. Den anden vej fungerer også:Med varme og højt tryk, grafit kan omdannes til syntetiske diamanter, der allerede har et stort marked på verdensplan.

Holdet brugte den italienske bløde røntgenfri elektron-laser FERMI til at skyde ultrakorte blink på små diamantskiver med en tykkelse på kun 0,3 millimeter. Som regel, hvis du skyder så intense laserpulser mod fast stof, det bliver uordnet, eller, som forskerne kalder det, amorf. Diamant er et andet eksempel. Det kan skifte sin interne struktur til en anden rækkefølge, og bliver derved til grafit. "I princippet, det var kendt, at hvis du sender nok energi til diamant, det skal grafitisere, "forklarer Toleikis." Men det vides ikke præcist, hvordan dette sker. "

Der er to mulige veje:den fælles såkaldte termiske overgang, hvor den absorberede energi overføres til diamantens indre krystalgitter, indtil den reorganiserer sig i grafitstrukturen. Og en ikke-termisk tilstand, hvor energien absorberet af kun en lille brøkdel af elektronerne i diamanten ændrer den indre potentielle energioverflade, udløser en omarrangering af krystalgitteret. "Ikke-termisk overgang er meget hurtigere end termisk, sidstnævnte forekommer på picosekunders tidsskalaer, "forklarer medforfatter Ziaja. Et picosekund er en billionion af et sekund.

Ud over forsøgene, DESY-forskerne Nikita Medvedev, Victor Tkachenko og Beata Ziaja havde udviklet et computerprogram til at simulere faseovergangen i diamant induceret af røntgenstråler. "Vores kode forudsagde, at det ville være ikke-termisk, og vores eksperimenter bekræftede, at "siger Ziaja, der arbejder på Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) i Hamborg, et samarbejde fra DESY, universitetet i Hamborg og det tyske Max Planck-selskab. Med FERMI's korte røntgenpulser med en varighed på kun 50 femtosekunder, forskerne var i stand til at følge faseovergangen og fandt ud af, at det tager cirka 150 femtosekunder. "Det er første gang, at dette er blevet observeret i en tidsopløst måde, " understreger Toleikis. Et femtosekund (en kvadrilliontedel af et sekund) er tusind gange kortere end et picosekund.

"Røntgenimpulserne exciterer elektronerne, "forklarer første forfatter Tavella." Hvis bare cirka 1,5 procent af elektronerne er spændte, krystallen begynder allerede at ændre sin interne organisation, vende til grafittilstanden. "Observationerne afgør ikke kun spørgsmålet om, hvordan diamant grafitiserer, når de ophidses med røntgenstråler. De validerer også computerkoden, der bruges til simuleringen." Vi kan nu også bruge koden til andre materialer. Vi har allerede foretaget beregninger for silicium og galliumarsenid, " siger Ziaja. "Den kan bruges til alle røntgen-laser-excitationseksperimenter." På grund af den industrielle betydning af diamant, dets stabilitet og spørgsmålet om grafitisering er blevet undersøgt under forskellige faktorer som højt tryk, annealing og optiske lasere. Fremkomsten af ​​frie elektronlasere med deres ultrakorte pulser gjorde det nu muligt for forskerne at følge faseovergangen på en femtosekunds tidsskala.