Как правило, фазовые превращения, например, переход из алмаза в графит или из белого олова в серое, происходят под действием температуры. Но существуют и необычные исключения. Оказывается, превращение алмаза в графит при облучении мягким рентгеновским излучением происходит по механизму, не связанному с нагревом материала. Этот процесс по меньшей мере в десять раз быстрее термического. Об этом сообщает международная группа физиков под руководством Франца Тавелла (SLAC, США), Свена Толеикиса (DESY, Германия) и Беаты Заи (Институт ядерной физики, Краков) в журнале High Energy Density Physics, кратко о работе рассказывает пресс-релиз DESY.
И алмаз, и графит состоят из одних и тех же атомов углерода, по-разному упакованных в материале — несмотря на огромную разницу в свойствах. Поместив графит в условия высокой температуры и давления можно заставить атомы поменять свою упаковку — это один из двух основных способов синтеза алмазов в промышленности. Возможен и обратный процесс: под действием тепла алмаз может обратно превратиться в графит.
Источником тепла может быть как печь, так и сфокусированный луч лазера. В последнем случае перестройка атомов происходит в несколько последовательных шагов: поглощение фотонов электронами, передача энергии от возбужденных электронов в колебания кристаллической решетки, изменение структуры. Этот процесс занимает несколько пикосекунд — триллионных долей секунды. В 1979 году физики обнаружили, что иногда превращения в полупроводниках могут протекать и на меньших временных масштабах — менее пикосекунды. За это время энергия просто не успеет перейти от возбужденных электронов к кристаллической решетке. Это указало на новый не связанный с передачей тепла механизм фазовых переходов. В его основе лежит перестройка поверхности потенциальной энергии в кристалле из-за возбуждения небольшого количества электронов.
Как поясняет соавтор работы, Франц Тавелла, достаточно возбудить 1,5 процента электронов в алмазе, чтобы тот начал превращаться в графит. Ученым удалось разработать математическую модель, в точности описывающую процесс — не только для графитизации алмазов, но и для превращений других материалов.
Ранее мы сообщали о первом наблюдении превращения алмаза в лонсдейлит. Для этого физики из Ливерморской национальной лаборатории также использовали короткие импульсы лазера на свободных электронах, но с гораздо большей энергией фотонов (в 100 раз больше) и интенсивностью. Такого импульса было достаточно, чтобы развить в образце давление в два миллиона атмосфер.
Владимир Королёв
