El láser de rayos X europeo XFEL abre nuevas perspectivas para la investigación de alta presión:un equipo internacional utilizó los intensos destellos láser para calentar y analizar muestras en las llamadas células de yunque de diamante en el láser de rayos X por primera vez. Los experimentos superaron claramente las expectativas de los científicos, como informó el equipo de 50 experimentadores dirigido por Stewart McWilliams de la Universidad de Edimburgo después de la finalización de los experimentos.

Las celdas de yunque de diamante (DAC) pertenecen a los instrumentos estándar utilizados por los investigadores de alta presión. En ellos, dos yunques de diamante pequeños y ultraduros comprimen muestras diminutas, generando presiones como las imperantes en el interior de la Tierra. De esta manera, los geocientíficos pueden simular las condiciones dentro de nuestro planeta y obtener información importante sobre el núcleo y el manto de la Tierra. "Hasta aquí, hemos utilizado celdas de yunque de diamante en anillos de almacenamiento como PETRA III solamente, "explica el mineralogista de DESY Hanns-Peter Liermann." Hasta hace poco, nunca los pusimos en el haz mucho más fuerte de un láser de electrones libres; ni siquiera sabíamos si funcionaría en absoluto ".

En el instrumento High Energy Density (HED) del XFEL europeo, los investigadores ahora pusieron en funcionamiento una nueva cámara de interacción por primera vez, que está especialmente diseñado para experimentos con células de yunque de diamante en el láser de rayos X. "Actualmente, solo el XFEL europeo puede emitir rayos X duros con una energía lo suficientemente alta como para penetrar fácilmente los yunques de diamante", dice Ulf Zastrau. el líder del grupo de HED. La cámara de vacío cuenta con un revólver, sosteniendo hasta 6 DAC para un intercambio rápido y un uso optimizado del tiempo de haz, dos detectores de área grande para registrar los patrones de difracción, así como un sistema óptico para obtener imágenes de las muestras y medir la temperatura sin contacto (pirométrico).

La compleja configuración fue desarrollada por DESY como parte del consorcio Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), en el que varios institutos bajo la dirección del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han unido sus fuerzas para llevar a cabo experimentos en condiciones extremas que solo son posibles de esta forma con la experiencia de los socios y las propiedades del haz de los europeos. XFEL.

Entre otras cosas, los experimentos se benefician de la rápida frecuencia del pulso del láser de rayos X europeo, que puede generar hasta 27, 000 destellos por segundo. Mientras que un primer destello de rayos X calienta y derrite la muestra comprimida en la celda, el flash posterior permite medir con precisión los cambios en la muestra, incluso antes de que la muestra pueda reaccionar con la celda. "Esto solo es posible en el XFEL europeo, "dice Cornelius Strohm, quien dirige el grupo HIBEF en DESY. "Sólo el XFEL europeo proporciona un número suficiente de destellos de rayos X de alta energía en una breve sucesión". La alta energía de fotones proporciona a los científicos más detalles para un mejor análisis estructural de sus muestras.

En los primeros experimentos con DAC en el XFEL europeo, El equipo se centró inicialmente en investigaciones sistemáticas como base para experimentos futuros. Por ejemplo, los investigadores probaron si las células del yunque de diamante pueden soportar múltiples exposiciones con los intensos pulsos de rayos X del XFEL europeo, si y cómo la muestra puede calentarse mediante un primer pulso de rayos X y luego examinarse con un pulso adicional inmediatamente después, cómo la temperatura observada depende del intervalo de tiempo entre los pulsos, y si los intensos destellos de rayos X desencadenan reacciones químicas entre la muestra y el medio de transferencia de presión o los diamantes.

Si bien los investigadores están solo al comienzo de una evaluación detallada de los datos extensos, ya pueden informar sobre las observaciones iniciales:los DAC con presiones de hasta un millón de atmósferas de hecho soportan exposiciones múltiples con el haz del XFEL europeo. Las muestras adecuadas podrían calentarse fuertemente por el haz de rayos X y, en algunos casos, Derretido. Por último, si bien no menos importante, Las reacciones químicas y las transformaciones de fase dentro de las muestras fueron inducidas y observadas por el haz de rayos X. Ya se han presentado propuestas para experimentos adicionales con el fin de explorar todo el potencial de las posibilidades de investigación con células de yunque de diamante en el XFEL europeo.