28/11/2017
Door Ad Spijkers
Een internationaal onderzoeksteam heeft met behulp van röntgenlasers diamant in grafiet veranderd. Wat op het eerste gezicht niet logisch lijkt (meestal is het omgekeerde het streven), is echter een cruciale stap in het begrijpen van het basisgedrag van vaste stoffen onder hoogenergetische bestraling.
Voor het eerst kon het team in zijn experimenten de zogenaamde grafitisering van diamant observeren. Bij het onderzoek waren onder meer wetenschappers onder leiding van het Amerikaanse SLAC National Accelerator Laboratory aan Stanford University, het Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en het Instituut voor nucleare fysica van de Poolse Academie van Wetenschappen betrokken.
Diamant en grafiet
Diamant en grafiet zijn verschillende vormen van koolstof die verschillen in hun interne kristalstructuur. Diamant is de hogedrukvariant die zich in de aarde vormt en metastabiel is onder omstandigheden aan het aardoppervlak. Dit betekent dat diamant onder normale omstandigheden transformeert naar grafiet als het proces wordt gestart met voldoende energie-input.
Er zijn verschillende manieren om dit te doen, zoals verhitting met uitsluiting van zuurstof of mechanische schokken. Het omgekeerde is ook waar: met hitte en hoge druk kan grafiet worden gebruikt om kunstmatige diamanten te maken, die al een belangrijke wereldwijde markt vertegenwoordigen. Het begrijpen van het grafitiseringsproces is belangrijk voor alle aan diamant gerelateerde technologieën, afgezien van de fundamentele aspecten, aangezien diamant in toenemende mate wordt gebruikt voor praktische toepassingen.
Röntgenlaser
De onderzoekers schoten met ultrakorte flitsen van de Italiaanse vrije elektronen röntgenlaser FERMI in Triëst op slechts 0,3 millimeter dunne diamantschijven. Dergelijke intense laserpulsen vernietigen meestal de interne ordening van een vaste stof; onderzoekers noemen de resulterende interne verstoring amorf.
Diamant is een uitzondering: de interne structuur gaat door het bombardement over in een andere ordening, waardoor uit diamant grafiet wordt gemaakt. Het was altijd al bekend dat diamant bij voldoende energi-injectie grafiet wordt. Maar het was niet bekend hoe dat precies gebeurde.
Computersimulatie
Behalve experimenten hebben de onderzoekers een computersimulatie ontwikkeld voor de door röntgenstraling geïnduceerde faseovergang in diamant. Het programma voorspelde dat de onderzochte overgang niet-thermisch verloopt, en de experimenten hebben dat bevestigd. Met FERMI's korte röntgenflitsen (ongeveer 50 fs) konden de onderzoekers het faseovergangsproces volgen en de duur ervan bepalen op slechts ongeveer 150 fs (een femtoseconde (fs) is een miljardste seconde).
De röntgenflitsen stimuleren de elektronen. Als slechts ongeveer 1,5% van de elektronen zich in een aangeslagen toestand bevindt, begint het kristal zijn interne ordening te veranderen en over te gaan naar grafiet. De waarnemingen beantwoorden niet alleen de vraag hoe diamant grafiet wordt, ze bevestigen ook de juistheid van het computerprogramma dat voor de simulatie is ontwikkeld. De onderzoekers kunnen het programma nu ook gebruiken voor andere materialen. Ze hebben al berekeningen gemaakt voor bijvoorbeeld silicium en galliumarsenide. Het kan worden gebruikt voor willekeurige excitatie-experimenten met röntgenlasers.