Mekanisme bag XFEL-induceret smeltning af diamant afsløret

Den ultrahurtige smeltning af diamant under intens røntgenbestråling er blevet visualiseret for første gang af RIKEN-forskere. Denne observation vil hjælpe forskere med at forbedre eksperimentelle metoder, der bruger højintensitets røntgenpulser til at bestemme strukturen af ​​materialer.

Teoretisk set for at smelte en diamant skal du sætte den i en ovn og indstille temperaturen til over 3, 500 grader Celsius (faktisk det ville blive til grafit godt før smeltning). Men RIKEN-forskere har observeret diamantsmeltning ved meget lavere temperaturer ved at ramme den med ultrakorte pulser fra en røntgenfri elektron-laser (XFEL).

XFEL'er er kraftfulde instrumenter, der har været tilgængelige i lidt mere end et årti. De producerer tog med intense røntgenpulser, der kan bruges til at studere strukturen og dynamikken i mange slags prøver. Deres evne til at forestille sig individuelle atomer på en femtosekunds tidsskala (kvadrilliondeler af et sekund) gør dem ideelle til at studere biologiske og kemiske processer og materialestrukturer i detaljer.

Det er kendt, at XFEL -impulser ophidser mange elektroner på én gang, forårsager irreversibel lidelse i prøven. Men den nøjagtige mekanisme, hvormed denne skade sker, var ukendt.

Nu, Ichiro Inoue og Makina Yabashi, begge RIKEN SPring-8 Center, sammen med deres samarbejdspartnere, har brugt en teknik, der anvender en første røntgenpuls til at excitere en prøve, og en anden puls med forskellig energi og en lille tidsforsinkelse for at undersøge virkningerne af den første puls. Denne metode gjorde dem i stand til nøje at følge, hvad der skete i prøven, efter at den blev ramt af røntgenstrålerne.

Eksperimenterne blev udført på SPring-8 Angstrom Compact fri elektronlaser (SACLA), som i 2011 blev den anden XFEL i verden til at starte driften. "Blandt XFEL -faciliteter i verden er SACLA har en unik evne til at producere ultraintensiv, dobbelte røntgenpulser med forskellige bølgelængder, "kommenterer Yabashi." Denne ejendom er ønskelig til at udføre den nuværende type ny forskning. "

Forskerne visualiserede fordelingen af ​​ladninger omkring carbonatomer i en diamantprøve efter XFEL -bestråling. Kulstof -kulstof -bindingerne brød efter ca. 5 femtosekunder, og atomerne begyndte at opføre sig som isolerede atomer, bevæger sig fra deres oprindelige positioner og får materialet til at smelte.

Denne tidsskala er meget hurtigere end bindingsbrud forårsaget af opvarmning, og understøttende simuleringer viste, at smeltningen faktisk er ikke-termisk. I stedet, det induceres af en ændring af den potentielle energi, som atomerne mærker.

Sådan ikke-termisk smeltning kan forventes at ske i mange XFEL-eksperimenter, og er således en vigtig faktor at overveje i enhver undersøgelse af strukturbestemmelse med XFEL -impulser.