La fusione ultraveloce del diamante sotto un'intensa irradiazione di raggi X è stata visualizzata per la prima volta dai ricercatori RIKEN. Questa osservazione aiuterà gli scienziati a migliorare i metodi sperimentali che utilizzano impulsi a raggi X ad alta intensità per determinare le strutture dei materiali.

Teoricamente, per fondere un diamante bisognerebbe metterlo in forno e impostare la temperatura sopra i 3, 500 gradi Celsius (infatti, si trasformerebbe in grafite ben prima di fondersi). Ma gli scienziati RIKEN hanno osservato la fusione del diamante a temperature molto più basse colpendolo con impulsi ultracorti da un laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL).

Gli XFEL sono strumenti potenti disponibili da poco più di un decennio. Producono treni di intensi impulsi a raggi X che possono essere utilizzati per studiare la struttura e la dinamica di molti tipi di campioni. La loro capacità di visualizzare i singoli atomi su una scala temporale di femtosecondi (quadrillionesimi di secondo) li rende ideali per studiare i processi biologici e chimici e le strutture dei materiali in modo molto dettagliato.

È noto che gli impulsi XFEL eccitano molti elettroni contemporaneamente, causando un disturbo irreversibile nel campione. Ma l'esatto meccanismo con cui si verifica questo danno era sconosciuto.

Ora, Ichiro Inoue e Makina Yabashi, entrambi del RIKEN SPring-8 Center, insieme ai suoi collaboratori, hanno utilizzato una tecnica che impiega un primo impulso a raggi X per eccitare un campione, e un secondo impulso con energia diversa e un piccolo ritardo di tempo per sondare gli effetti del primo impulso. Questo metodo ha permesso loro di seguire da vicino ciò che è accaduto nel campione dopo che è stato colpito dai raggi X.

Gli esperimenti sono stati condotti presso il laser a elettroni liberi SPring-8 Angstrom Compact (SACLA), che nel 2011 è diventato il secondo XFEL al mondo ad avviare le operazioni. "Tra le strutture XFEL nel mondo, SACLA ha una capacità unica di produrre ultra-intensi, doppi impulsi a raggi X con diverse lunghezze d'onda, " commenta Yabashi. "Questa proprietà è desiderabile per condurre l'attuale tipo di nuova ricerca."

I ricercatori hanno visualizzato la distribuzione delle cariche attorno agli atomi di carbonio in un campione di diamante dopo l'irradiazione con XFEL. I legami carbonio-carbonio si sono rotti dopo circa 5 femtosecondi, e gli atomi cominciarono a comportarsi come atomi isolati, spostandosi dalle loro posizioni originali e provocando la fusione del materiale.

Questa scala temporale è molto più rapida della rottura del legame causata dal riscaldamento, e le simulazioni di supporto hanno mostrato che la fusione è effettivamente non termica. Anziché, è indotta da una modificazione dell'energia potenziale percepita dagli atomi.

Ci si può aspettare che tale fusione non termica avvenga in molti esperimenti XFEL, ed è quindi un fattore importante da considerare in qualsiasi studio di determinazione della struttura con impulsi XFEL.