Перетворення алмазу в графіт в поданні художника
DESY, Gesine Born
Як правило, фазові перетворення, наприклад, перехід з алмазу в графіт або з білого олова в сіре, відбуваються під дією температури. Але існують і незвичайні виключення. Виявляється, перетворення алмаза в графіт при опроміненні м'яким рентгенівським випромінюванням відбувається за механізмом, що не пов'язано з нагріванням матеріалу. Цей процес щонайменше в десять разів швидше термічного. Про це повідомляє міжнародна група фізиків під керівництвом Франца Тавелла (SLAC, США), Свена Толеікіса (DESY, Німеччина) та Беати Заи (Інститут ядерної фізики, Краків) в журналі High Energy Density Physics, коротко про роботу розповідає прес-реліз DESY.
І алмаз, і графіт складаються з одних і тих самих атомів вуглецю, по-різному упакованих в матеріалі - незважаючи на величезну різницю у властивостях . Помістивши графіт в тепле приміщення і тиску можна змусити атоми поміняти свою упаковку - це один з двох основних способів синтезу алмазів в промисловості. Можливий і зворотний процес: під дією тепла алмаз може назад перетворитися на графіт.
Джерелом тепла може бути як піч, так і сфокусований промінь лазера. В останньому випадку перебудова атомів відбувається в кілька послідовних кроків: поглинання фотонів електронами, передача енергії від збуджених електронів в коливання кристалічної решітки, зміна структури. Цей процес займає кілька пикосекунд - трильйонних доль секунди. У 1979 році фізики виявили, що іноді перетворення в напівпровідниках можуть протікати і на менших тимчасових масштабах - менш пікосекунди. За цей час енергія просто не встигне перейти від збуджених електронів до кристалічній решітці. Це вказало на новий не пов'язаний з передачею тепла механізм фазових переходів. В його основі лежить перебудова поверхні потенційної енергії в кристалі через порушення невеликої кількості електронів.
Синє - початковий стан алмазу. Жовте - момент опромінення. Червоне - фазовий перехід від алмаза до графіту
DESY, Nikita Medvedev
У новій роботі вченим вперше вдалося поспостерігати подібне перетворення алмаза в графіт і визначити часові масштаби, на яких це відбувається. Для збудження електронів в алмазі фізики використовували рентгенівський лазер FERMI на вільних електронах. Відразу слідом за коротким рентгенівським імпульсом, зразок просвічували імпульсами оптичного лазера - так можна було виявити зміна його прозорості, пов'язане з утворенням графіту. Виявилося, що алмаз ставав майже непрозорим вже через 150 фемтосекунд (0,15 пикосекунд) після опромінення. Це щонайменше на порядок швидше, ніж термічні процеси.Як пояснює співавтор роботи, Франц Тавелла, досить порушити 1,5 відсотка електронів в алмазі, щоб той почав перетворюватися в графіт. Вченим вдалося розробити математичну модель, в точності описує процес - не тільки для графітизації алмазів, але і для перетворень інших матеріалів.
раніше ми повідомляли про перший спостереженні перетворення алмаза в лонсдейліт. Для цього фізики з Ліверморської національної лабораторії також використовували короткі імпульси лазера на вільних електронах, але з набагато більшою енергією фотонів (в 100 разів більше) і інтенсивністю. Такого імпульсу було досить, щоб розвинути в зразку тиск в два мільйони атмосфер.
Володимир Корольов
