In un risultato sorprendente, un team di scienziati ha trasformato il diamante in grafite, utilizzando un laser a raggi X. Ciò che a prima vista può sembrare indesiderabile, è un decisivo passo avanti nella comprensione del comportamento fondamentale dei solidi quando assorbono radiazioni energetiche. Per la prima volta, i ricercatori intorno a Franz Tavella dello SLAC National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti, Sven Toleikis di DESY e Beata Ziaja di DESY e l'Istituto di Fisica Nucleare di Cracovia sono stati in grado di seguire la grafitizzazione in modo risoluto nel tempo. “Oltre a questi aspetti fondamentali, comprendere il processo di grafitizzazione è importante per le tecnologie basate sui diamanti, poiché il diamante è sempre più utilizzato per applicazioni pratiche, " scrivono gli scienziati sul giornale Fisica ad alta densità di energia .

Diamante e grafite sono diverse forme di carbonio che differiscono nella loro struttura cristallina interna. Il diamante è la fase ad alta pressione che si forma nelle profondità della terra. In condizioni normali, il diamante è metastabile, il che significa che si riconverte in grafite quando il processo viene avviato con energia sufficiente. Esistono diversi modi per innescare la conversione del diamante in grafite, ad esempio semplicemente riscaldando il diamante in assenza di ossigeno o anche con un colpo meccanico mirato. Funziona anche il contrario:con il calore e l'alta pressione, la grafite può essere convertita in diamanti sintetici che hanno già un buon mercato in tutto il mondo.

Il team ha utilizzato il laser a elettroni liberi a raggi X molli italiano FERMI per sparare flash ultracorti su minuscole fette di diamante con uno spessore di appena 0,3 millimetri. Generalmente, se spari impulsi laser così intensi sulla materia solida, diventa disordinato, o, come lo chiamano gli scienziati, amorfo. Il diamante è un esempio diverso. Può cambiare la sua struttura interna in un ordine diverso, trasformandosi così in grafite. "In linea di principio, si sapeva che se invii abbastanza energia al diamante, dovrebbe grafitizzare, " spiega Toleikis. "Ma non si sapeva esattamente come ciò accadesse".

Ci sono due possibili percorsi:la comune cosiddetta transizione termica durante la quale l'energia assorbita viene trasferita al reticolo cristallino interno del diamante fino a riorganizzarsi nella struttura della grafite. E una modalità non termica, dove l'energia assorbita solo da una piccola frazione degli elettroni nel diamante cambia la superficie di energia potenziale interna, innescando un riarrangiamento del reticolo cristallino. "La transizione non termica è molto più veloce di quella termica, quest'ultimo si verifica su scale temporali di picosecondi, " spiega il co-autore Ziaja. Un picosecondo è un trilionesimo di secondo.

Oltre agli esperimenti, i ricercatori DESY Nikita Medvedev, Victor Tkachenko e Beata Ziaja avevano sviluppato un programma per computer per simulare la transizione di fase nel diamante indotta dai raggi X. "Il nostro codice prevedeva che non sarebbe stato termico, e i nostri esperimenti hanno confermato che, "dice Ziaja, che lavora presso il Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) di Amburgo, una collaborazione di DESY, l'Università di Amburgo e la società tedesca Max Planck. Con i brevi impulsi di raggi X di FERMI della durata di circa 50 femtosecondi, gli scienziati sono stati in grado di seguire la transizione di fase e hanno scoperto che ci vogliono solo circa 150 femtosecondi. "È la prima volta che questo è stato osservato in un modo risolto nel tempo, " sottolinea Toleikis. Un femtosecondo (un quadrilionesimo di secondo) è mille volte più corto di un picosecondo.

"Gli impulsi a raggi X eccitano gli elettroni, " spiega il primo autore Tavella. "Se solo circa l'1,5 per cento degli elettroni è eccitato, il cristallo comincia già a cambiare la sua organizzazione interna, passando allo stato di grafite." Le osservazioni non solo risolvono la questione su come il diamante si grafitizza quando viene eccitato con i raggi X. Convalidano anche il codice del computer utilizzato per la simulazione. "Ora possiamo usare il codice anche per altri materiali. Abbiamo già fatto calcoli per silicio e arseniuro di gallio, " dice Ziaja. "Può essere usato per qualsiasi esperimento di eccitazione laser a raggi X." A causa dell'importanza industriale del diamante, la sua stabilità e la questione della grafitizzazione è stata studiata sotto vari fattori come l'alta pressione, ricottura e laser ottici. L'avvento dei laser a elettroni liberi con i loro impulsi ultracorti ha ora permesso ai ricercatori di seguire la transizione di fase su una scala temporale di femtosecondi.