O laser de raios-X europeu XFEL abre novas perspectivas para a pesquisa de alta pressão:uma equipe internacional usou os flashes de laser intensos para aquecer e analisar amostras nas chamadas células de bigorna de diamante no laser de raios-X pela primeira vez. Os experimentos claramente excederam as expectativas dos cientistas, como a equipe de 50 experimentalistas liderada por Stewart McWilliams da Universidade de Edimburgo relatou após a conclusão dos experimentos.

As células de bigorna de diamante (DAC) pertencem aos instrumentos padrão usados ​​por pesquisadores de alta pressão. Neles, duas bigornas de diamante ultra-duras pequenas comprimem amostras minúsculas, gerando pressões como as que prevalecem no interior da Terra. Por aqui, geocientistas podem simular as condições dentro de nosso planeta e obter informações importantes sobre o núcleo e o manto da Terra. "Até aqui, usamos células de bigorna de diamante em anéis de armazenamento, como PETRA III apenas, "explica o mineralogista DESY Hanns-Peter Liermann." Até recentemente, nunca os prendemos ao feixe muito mais forte de um laser de elétrons livres; nem sabíamos se funcionaria. "

No instrumento de alta densidade de energia (HED) do XFEL europeu, os pesquisadores agora colocam uma nova câmara de interação em operação pela primeira vez, que é especialmente projetado para experimentos com células de bigorna de diamante no laser de raios-X. "Atualmente, apenas o XFEL europeu pode fornecer raios-X rígidos com uma energia alta o suficiente para penetrar facilmente nas bigornas de diamante", disse Ulf Zastrau, o líder do grupo de HED. A câmara de vácuo possui um revólver, segurando até 6 DACs para troca rápida e uso otimizado do tempo de feixe, dois detectores de grande área para registrar os padrões de difração, bem como um sistema óptico para a geração de imagens das amostras e medição de temperatura sem contato (pirométrica).

A configuração complexa foi desenvolvida por DESY como parte do consórcio Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), em que vários institutos sob a liderança do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) uniram forças para realizar experiências em condições extremas que só são possíveis desta forma com a experiência dos parceiros e as propriedades do feixe da Europa XFEL.

Entre outras coisas, os experimentos se beneficiam da rápida taxa de pulso do laser de raios-X europeu, que pode gerar até 27, 000 flashes por segundo. Enquanto um primeiro flash de raio-X aquece e derrete a amostra comprimida na célula, o flash subsequente permite que as mudanças na amostra sejam medidas com precisão - mesmo antes que a amostra possa reagir com a célula. "Isso só é possível no XFEL europeu, "diz Cornelius Strohm, que dirige o grupo HIBEF em DESY. "Apenas o XFEL europeu fornece um número suficiente de flashes de raios-X de alta energia em curta sucessão." A alta energia do fóton fornece aos cientistas mais detalhes para uma melhor análise estrutural de suas amostras.

Nos primeiros experimentos com DACs no XFEL europeu, a equipe inicialmente se concentrou em investigações sistemáticas como base para experimentos futuros. Por exemplo, os pesquisadores testaram se as células da bigorna de diamante podem resistir a múltiplas exposições com os intensos pulsos de raios-X do XFEL europeu, se e como a amostra pode ser aquecida por um primeiro pulso de raios-X e, em seguida, examinada com um pulso adicional imediatamente após, como a temperatura observada depende do intervalo de tempo entre os pulsos, e se os intensos flashes de raios-X desencadeiam reações químicas entre a amostra e o meio de transferência de pressão ou os diamantes.

Embora os pesquisadores estejam apenas no início de uma avaliação detalhada dos extensos dados, eles já podem relatar as observações iniciais:DACs com pressões de até um milhão de atmosferas realmente resistem a múltiplas exposições com o feixe do XFEL europeu. As amostras adequadas podem ser fortemente aquecidas pelo feixe de raios-X e, em alguns casos, derretido. Por último mas não menos importante, reações químicas e transformações de fase dentro das amostras foram induzidas e observadas pelo feixe de raios-X. Já foram apresentadas propostas para experimentos adicionais, a fim de explorar todo o potencial das possibilidades de pesquisa com células de bigorna de diamante no XFEL europeu.