A fusão ultrarrápida do diamante sob intensa irradiação de raios X foi visualizada pela primeira vez pelos pesquisadores da RIKEN. Esta observação ajudará os cientistas a melhorar os métodos experimentais que usam pulsos de raios-X de alta intensidade para determinar as estruturas dos materiais.

Teoricamente, para derreter um diamante você precisaria colocá-lo no forno e definir a temperatura para mais de 3, 500 graus Celsius (na verdade, ele se transformaria em grafite bem antes de derreter). Mas os cientistas da RIKEN observaram o derretimento do diamante em temperaturas muito mais baixas, atingindo-o com pulsos ultracurtos de um laser de elétrons livres de raios-X (XFEL).

Os XFELs são instrumentos poderosos que estão disponíveis há pouco mais de uma década. Eles produzem sequências de intensos pulsos de raios-X que podem ser usados ​​para estudar a estrutura e a dinâmica de muitos tipos de amostras. Sua capacidade de criar imagens de átomos individuais em uma escala de tempo de femtossegundos (quatrilionésimos de segundo) os torna ideais para estudar processos biológicos e químicos e estruturas materiais em grande detalhe.

Pulsos XFEL são conhecidos por excitar muitos elétrons de uma vez, causando distúrbio irreversível na amostra. Mas o mecanismo exato pelo qual esse dano acontece era desconhecido.

Agora, Ichiro Inoue e Makina Yabashi, ambos do RIKEN SPring-8 Center, junto com seus colaboradores, usaram uma técnica que emprega um primeiro pulso de raio-x para excitar uma amostra, e um segundo pulso com energia diferente e um pequeno atraso de tempo para sondar os efeitos do primeiro pulso. Esse método permitiu que eles acompanhassem de perto o que acontecia na amostra depois que ela era atingida pelos raios-x.

Os experimentos foram conduzidos no Laser de elétrons livres SPring-8 Angstrom Compact (SACLA), que em 2011 se tornou o segundo XFEL do mundo a iniciar operações. "Entre as instalações XFEL no mundo, SACLA tem uma capacidade única de produzir ultra-intensos, pulsos duplos de raios-x com diferentes comprimentos de onda, "comenta Yabashi." Esta propriedade é desejável para conduzir o tipo atual de novas pesquisas. "

Os pesquisadores visualizaram a distribuição de cargas em torno dos átomos de carbono em uma amostra de diamante após a irradiação XFEL. As ligações carbono-carbono quebraram após cerca de 5 femtossegundos, e os átomos começaram a se comportar como átomos isolados, movendo-se de suas posições originais e fazendo com que o material derreta.

Esta escala de tempo é muito mais rápida do que a quebra da ligação causada pelo aquecimento, e simulações de apoio mostraram que a fusão é realmente não térmica. Em vez de, é induzido por uma modificação da energia potencial sentida pelos átomos.

Pode-se esperar que tal fusão não térmica aconteça em muitos experimentos XFEL, e é, portanto, um fator importante a ser considerado em qualquer estudo de determinação de estrutura com pulsos XFEL.