Dans une réalisation surprenante, une équipe de scientifiques a transformé le diamant en graphite, à l'aide d'un laser à rayons X. Ce qui peut sembler indésirable à première vue, est une avancée décisive dans la compréhension du comportement fondamental des solides lorsqu'ils absorbent un rayonnement énergétique. Pour la première fois, les chercheurs autour de Franz Tavella du SLAC National Accelerator Laboratory aux États-Unis, Sven Toleikis de DESY et Beata Ziaja de DESY et de l'Institut de physique nucléaire de Cracovie ont pu suivre la graphitisation d'une manière résolue dans le temps. « En plus de ces aspects fondamentaux, comprendre le processus de graphitisation est important pour les technologies à base de diamant, le diamant étant de plus en plus utilisé pour des applications pratiques, " écrivent les scientifiques dans le journal Physique des hautes densités d'énergie .

Le diamant et le graphite sont des formes différentes de carbone qui diffèrent par leur structure cristalline interne. Le diamant est la phase de haute pression qui se forme profondément dans la terre. Sous des conditions normales, le diamant est métastable, ce qui signifie qu'il se reconvertit en graphite lorsque le processus est initié avec une énergie suffisante. Il existe différentes manières de déclencher la conversion du diamant en graphite, par exemple en chauffant simplement le diamant à l'abri de l'oxygène ou même avec une course mécanique ciblée. L'inverse fonctionne aussi :avec chaleur et haute pression, le graphite peut être converti en diamants synthétiques qui ont déjà tout un marché dans le monde.

L'équipe a utilisé le laser italien à rayons X doux à électrons libres FERMI pour filmer des flashs ultra-courts sur de minuscules tranches de diamant d'une épaisseur de seulement 0,3 millimètre. D'habitude, si vous tirez des impulsions laser aussi intenses sur de la matière solide, il devient désordonné, ou, comme l'appellent les scientifiques, amorphe. Le diamant est un autre exemple. Il peut changer sa structure interne dans un ordre différent, se transformant ainsi en graphite. "En principe, on savait que si vous envoyez assez d'énergie dans le diamant, il doit graphitiser, " explique Toleikis. "Mais on ne savait pas exactement comment cela se passait."

Il y a deux chemins possibles :la transition dite thermique courante au cours de laquelle l'énergie absorbée est transférée au réseau cristallin interne du diamant jusqu'à ce qu'il se réorganise dans la structure du graphite. Et un mode non thermique, où l'énergie absorbée par seulement une petite fraction des électrons dans le diamant modifie la surface d'énergie potentielle interne, déclenchant un réarrangement du réseau cristallin. "La transition non thermique est beaucoup plus rapide que la thermique, ce dernier se produisant sur des échelles de temps de la picoseconde, " explique le co-auteur Ziaja. Une picoseconde est un trillionième de seconde.

En plus des expériences, les chercheurs de DESY Nikita Medvedev, Victor Tkachenko et Beata Ziaja avaient développé un programme informatique pour simuler la transition de phase dans le diamant induite par les rayons X. "Notre code prédisait qu'il serait non thermique, et nos expériences ont confirmé que, " dit Ziaja, qui travaille au Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) à Hambourg, une coopération de DESY, l'Université de Hambourg et la Société allemande Max Planck. Avec les brèves impulsions de rayons X de FERMI d'une durée d'environ 50 femtosecondes, les scientifiques ont pu suivre la transition de phase et ont constaté qu'elle prend à peine 150 femtosecondes. "C'est la première fois que cela est observé de manière résolue dans le temps, " souligne Toleikis. Une femtoseconde (un quadrillionième de seconde) est mille fois plus courte qu'une picoseconde.

"Les impulsions de rayons X excitent les électrons, " explique le premier auteur Tavella. " Si seulement environ 1,5 pour cent des électrons sont excités, le cristal commence déjà à changer son organisation interne, basculer vers l'état graphite. » Les observations ne règlent pas seulement la question de savoir comment le diamant se graphitise lorsqu'il est excité par des rayons X. Elles valident également le code informatique utilisé pour la simulation. « Nous pouvons maintenant utiliser le code pour d'autres matériaux également. Nous avons déjà fait des calculs pour le silicium et l'arséniure de gallium, " dit Ziaja. " Il peut être utilisé pour toutes les expériences d'excitation laser à rayons X. " En raison de l'importance industrielle du diamant, sa stabilité et la question de la graphitisation ont été étudiées sous divers facteurs comme la haute pression, recuit et lasers optiques. L'avènement des lasers à électrons libres avec leurs impulsions ultra-courtes permet désormais aux chercheurs de suivre la transition de phase à l'échelle de la femtoseconde.