En un logro sorprendente, un equipo de científicos ha convertido el diamante en grafito, utilizando un láser de rayos X. Lo que puede parecer indeseable a primera vista, es un paso decisivo para comprender el comportamiento fundamental de los sólidos cuando absorben radiaciones energéticas. Por primera vez, los investigadores de Franz Tavella del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC en los EE. UU., Sven Toleikis de DESY y Beata Ziaja de DESY y el Instituto de Física Nuclear de Cracovia pudieron seguir la grafitización con resolución temporal. "Además de estos aspectos fundamentales, comprender el proceso de grafitización es importante para las tecnologías basadas en diamantes, Dado que el diamante se utiliza cada vez más para aplicaciones prácticas, "escriben los científicos en la revista Física de alta densidad de energía .

El diamante y el grafito son diferentes formas de carbono que difieren en su estructura cristalina interna. El diamante es la fase de alta presión que se forma en las profundidades de la tierra. Bajo condiciones normales, el diamante es metaestable, lo que significa que se vuelve a convertir en grafito cuando el proceso se inicia con suficiente energía. Hay diferentes formas de activar la conversión de diamante a grafito, por ejemplo, simplemente calentando el diamante sin oxígeno o incluso con una carrera mecánica dirigida. También funciona al revés:con calor y alta presión, El grafito se puede convertir en diamantes sintéticos que ya tienen un gran mercado en todo el mundo.

El equipo utilizó el láser italiano de rayos X suave de electrones libres FERMI para disparar destellos ultracortos en diminutas rodajas de diamante con un grosor de solo 0,3 milímetros. Generalmente, si dispara pulsos de láser tan intensos a la materia sólida, se vuelve desordenado, o, como lo llaman los científicos, amorfo. Diamond es un ejemplo diferente. Puede cambiar su estructura interna a un orden diferente, convirtiéndose así en grafito. "En principio, se sabía que si envías suficiente energía al diamante, debe grafitizar, "explica Toleikis." Pero no se sabía exactamente cómo sucede esto ".

Hay dos caminos posibles:la llamada transición térmica común durante la cual la energía absorbida se transfiere a la red cristalina interna del diamante hasta que se reorganiza en la estructura de grafito. Y un modo no térmico, donde la energía absorbida por solo una pequeña fracción de los electrones en el diamante cambia la superficie de energía potencial interna, desencadenando una reordenación de la red cristalina. "La transición no térmica es mucho más rápida que la térmica, este último ocurre en escalas de tiempo de picosegundos, "explica el coautor Ziaja. Un picosegundo es una billonésima de segundo.

Además de los experimentos, los investigadores de DESY Nikita Medvedev, Victor Tkachenko y Beata Ziaja habían desarrollado un programa de computadora para simular la transición de fase en el diamante inducida por rayos X. "Nuestro código predijo que no sería térmico, y nuestros experimentos confirmaron que, "dice Ziaja, que trabaja en el Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) en Hamburgo, una cooperación de DESY, la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Alemana Max Planck. Con los breves pulsos de rayos X de FERMI de aproximadamente 50 femtosegundos de duración, los científicos pudieron seguir la transición de fase y descubrieron que se necesitan aproximadamente 150 femtosegundos. "Es la primera vez que esto se observa de una manera resuelta en el tiempo, "subraya Toleikis. Un femtosegundo (una cuadrillonésima parte de un segundo) es mil veces más corto que un picosegundo.

"Los pulsos de rayos X excitan los electrones, "explica el primer autor Tavella." Si solo alrededor del 1,5 por ciento de los electrones están excitados, el cristal ya empieza a cambiar su organización interna, volteando al estado de grafito. "Las observaciones no solo resuelven la cuestión de cómo el diamante grafitiza cuando se excita con rayos X. También validan el código de computadora utilizado para la simulación." Ahora podemos usar el código para otros materiales también. Ya hemos realizado cálculos para silicio y arseniuro de galio, ", dice Ziaja." Se puede utilizar para cualquier experimento de excitación de láser de rayos X. "Debido a la importancia industrial del diamante, Su estabilidad y la cuestión de la grafitización se han investigado bajo varios factores como alta presión, recocido y láseres ópticos. La llegada de los láseres de electrones libres con sus pulsos ultracortos permitió ahora a los investigadores seguir la transición de fase en una escala de tiempo de femtosegundos.