La fusion ultrarapide du diamant sous une irradiation intense aux rayons X a été visualisée pour la première fois par les chercheurs du RIKEN. Cette observation aidera les scientifiques à améliorer les méthodes expérimentales qui utilisent des impulsions de rayons X à haute intensité pour déterminer les structures des matériaux.

Théoriquement, pour faire fondre un diamant, il faudrait le mettre dans un four et régler la température à plus de 3, 500 degrés Celsius (en fait, il se transformerait en graphite bien avant de fondre). Mais les scientifiques de RIKEN ont observé la fonte du diamant à des températures beaucoup plus basses en le frappant avec des impulsions ultracourtes d'un laser à rayons X à électrons libres (XFEL).

Les XFEL sont des instruments puissants disponibles depuis un peu plus d'une décennie. Ils produisent des trains d'impulsions de rayons X intenses qui peuvent être utilisés pour étudier la structure et la dynamique de nombreux types d'échantillons. Leur capacité à imager des atomes individuels sur une échelle de temps de quelques femtosecondes (quadrillionièmes de seconde) les rend idéales pour étudier en détail les processus biologiques et chimiques et les structures des matériaux.

Les impulsions XFEL sont connues pour exciter de nombreux électrons à la fois, provoquant un désordre irréversible dans l'échantillon. Mais le mécanisme exact par lequel ces dommages se produisent était inconnu.

Maintenant, Ichiro Inoue et Makina Yabashi, tous deux du RIKEN SPring-8 Center, avec leurs collaborateurs, ont utilisé une technique qui emploie une première impulsion de rayons X pour exciter un échantillon, et une seconde impulsion avec une énergie différente et un petit délai pour sonder les effets de la première impulsion. Cette méthode leur a permis de suivre de près ce qui s'est passé dans l'échantillon après avoir été touché par les rayons X.

Les expériences ont été menées au laser à électrons libres SPring-8 Angstrom Compact (SACLA), qui en 2011 est devenu le deuxième XFEL au monde à démarrer ses opérations. « Parmi les installations XFEL dans le monde, SACLA a une capacité unique de produire ultra-intense, double impulsions de rayons X avec différentes longueurs d'onde, " commente Yabashi. "Cette propriété est souhaitable pour mener le type actuel de nouvelles recherches."

Les chercheurs ont visualisé la répartition des charges autour des atomes de carbone dans un échantillon de diamant après irradiation XFEL. Les liaisons carbone-carbone se sont rompues après environ 5 femtosecondes, et les atomes ont commencé à se comporter comme des atomes isolés, se déplaçant de leurs positions d'origine et provoquant la fonte du matériau.

Cette échelle de temps est beaucoup plus rapide que la rupture de liaison causée par le chauffage, et des simulations à l'appui ont montré que la fusion est en effet non thermique. Au lieu, elle est induite par une modification de l'énergie potentielle ressentie par les atomes.

On peut s'attendre à ce qu'une telle fusion non thermique se produise dans de nombreuses expériences XFEL, et est donc un facteur important à considérer dans toute étude de détermination de structure avec des impulsions XFEL.