Il laser a raggi X europeo XFEL apre nuove prospettive per la ricerca ad alta pressione:un team internazionale ha utilizzato per la prima volta gli intensi lampi laser per riscaldare e analizzare campioni nelle cosiddette cellule a incudine di diamante al laser a raggi X. Gli esperimenti hanno chiaramente superato le aspettative degli scienziati, come ha riferito il team di 50 sperimentatori guidati da Stewart McWilliams dell'Università di Edimburgo dopo il completamento degli esperimenti.

Le celle a incudine diamantate (DAC) appartengono agli strumenti standard utilizzati dai ricercatori ad alta pressione. In loro, due piccole incudini diamantate ultraduri comprimono piccolissimi campioni, generando pressioni come quelle prevalenti all'interno della Terra. Per di qua, i geologi possono simulare le condizioni all'interno del nostro pianeta e ottenere importanti informazioni sul nucleo e sul mantello della Terra. "Finora, abbiamo utilizzato celle a incudine diamantate solo su anelli di stoccaggio come PETRA III, " spiega il mineralogista di DESY Hanns-Peter Liermann. "Fino a poco tempo fa, non li abbiamo mai trattenuti nel raggio molto più forte di un laser a elettroni liberi; non sapevamo nemmeno se avrebbe funzionato affatto."

Allo strumento High Energy Density (HED) dell'XFEL europeo, i ricercatori hanno ora messo in funzione per la prima volta una nuova camera di interazione, che è appositamente progettato per esperimenti con cellule di incudine diamantate al laser a raggi X. "Attualmente solo l'XFEL europeo è in grado di fornire raggi X duri con un'energia sufficientemente elevata da penetrare facilmente nelle incudini di diamante", afferma Ulf Zastrau, il capogruppo di HED. La camera a vuoto è dotata di un revolver, contenere fino a 6 DAC per uno scambio rapido e un utilizzo ottimizzato del tempo del fascio, due rilevatori di grande area per la registrazione dei modelli di diffrazione e un sistema ottico per l'imaging dei campioni e la misurazione della temperatura senza contatto (pirometrica).

La complessa configurazione è stata sviluppata da DESY come parte del consorzio Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), in cui un certo numero di istituti sotto la guida dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno unito le forze per condurre esperimenti in condizioni estreme che sono possibili solo in questa forma con l'esperienza dei partner e le proprietà del fascio dell'Unione Europea XFEL.

Tra l'altro, gli esperimenti beneficiano della rapida frequenza degli impulsi del laser a raggi X europeo, che può generare fino a 27, 000 lampeggi al secondo. Mentre un primo flash a raggi X riscalda e fonde il campione compresso nella cella, il flash successivo consente di misurare con precisione i cambiamenti nel campione, anche prima che il campione possa reagire con la cella. "Questo è possibile solo all'XFEL europeo, "dice Cornelius Strohm, che guida il gruppo HIBEF a DESY. "Solo l'XFEL europeo fornisce un numero sufficiente di lampi di raggi X ad alta energia in breve successione". L'elevata energia fotonica fornisce agli scienziati maggiori dettagli per una migliore analisi strutturale dei loro campioni.

Nei primi esperimenti con DAC all'XFEL europeo, il team inizialmente si è concentrato su indagini sistematiche come base per esperimenti futuri. Per esempio, i ricercatori hanno testato se le cellule dell'incudine di diamante possono resistere a esposizioni multiple con gli intensi impulsi a raggi X dell'XFEL europeo, se e come il campione può essere riscaldato da un primo impulso a raggi X e poi esaminato con un ulteriore impulso subito dopo, come la temperatura osservata dipende dall'intervallo di tempo tra gli impulsi, e se gli intensi lampi di raggi X innescano reazioni chimiche tra il campione e il mezzo di trasferimento della pressione o i diamanti.

Mentre i ricercatori sono solo all'inizio di una valutazione dettagliata dei dati estesi, possono già riferire sulle osservazioni iniziali:i DAC con pressioni fino a un milione di atmosfere resistono infatti a esposizioni multiple con il raggio dell'XFEL europeo. Campioni idonei potrebbero essere fortemente riscaldati dal fascio di raggi X e, in alcuni casi, fuso. Ultimo, ma non per importanza, reazioni chimiche e trasformazioni di fase all'interno dei campioni sono state indotte e osservate dal fascio di raggi X. Sono già state presentate proposte per ulteriori esperimenti al fine di esplorare il pieno potenziale delle possibilità di ricerca con celle a incudine di diamante presso l'XFEL europeo.