Los investigadores de RIKEN han visualizado por primera vez la fusión ultrarrápida del diamante bajo una intensa irradiación de rayos X. Esta observación ayudará a los científicos a mejorar los métodos experimentales que utilizan pulsos de rayos X de alta intensidad para determinar las estructuras de los materiales.

Teóricamente para derretir un diamante, debe ponerlo en un horno y ajustar la temperatura a más de 3, 500 grados Celsius (de hecho, se convertiría en grafito mucho antes de derretirse). Pero los científicos de RIKEN han observado que el diamante se derrite a temperaturas mucho más bajas al golpearlo con pulsos ultracortos de un láser de rayos X de electrones libres (XFEL).

Los XFEL son instrumentos potentes que han estado disponibles durante poco más de una década. Producen trenes de intensos pulsos de rayos X que se pueden utilizar para estudiar la estructura y dinámica de muchos tipos de muestras. Su capacidad para obtener imágenes de átomos individuales en una escala de tiempo de femtosegundos (cuadrillonésimas de segundo) los hace ideales para estudiar procesos biológicos y químicos y estructuras de materiales con gran detalle.

Se sabe que los pulsos XFEL excitan muchos electrones a la vez, provocando un trastorno irreversible en la muestra. Pero se desconocía el mecanismo exacto por el cual ocurre este daño.

Ahora, Ichiro Inoue y Makina Yabashi, ambos del Centro RIKEN SPring-8, junto a sus colaboradores, han utilizado una técnica que emplea un primer pulso de rayos X para excitar una muestra, y un segundo pulso con diferente energía y un pequeño retardo de tiempo para sondear los efectos del primer pulso. Este método les permitió seguir de cerca lo que sucedió en la muestra después de que fue alcanzada por los rayos X.

Los experimentos se llevaron a cabo en el láser de electrones libres SPring-8 Angstrom Compact (SACLA), que en 2011 se convirtió en el segundo XFEL del mundo en iniciar operaciones. "Entre las instalaciones de XFEL en el mundo, SACLA tiene una capacidad única para producir ultra-intensos, pulsos de rayos X dobles con diferentes longitudes de onda, "comenta Yabashi." Esta propiedad es deseable para realizar el tipo actual de nueva investigación ".

Los investigadores visualizaron la distribución de cargas alrededor de los átomos de carbono en una muestra de diamante después de la irradiación XFEL. Los enlaces carbono-carbono se rompieron después de unos 5 femtosegundos, y los átomos comenzaron a comportarse como átomos aislados, moviéndose de sus posiciones originales y haciendo que el material se derrita.

Esta escala de tiempo es mucho más rápida que la rotura de la unión causada por el calentamiento, y las simulaciones de apoyo mostraron que la fusión no es térmica. En lugar de, es inducida por una modificación de la energía potencial que sienten los átomos.

Se puede esperar que tal fusión no térmica ocurra en muchos experimentos XFEL, y, por tanto, es un factor importante a considerar en cualquier estudio de determinación de estructuras con pulsos XFEL.