Алмаз превратили в графит рентгеновским лазером
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.
В новой работе ученым впервые удалось пронаблюдать подобное превращение алмаза в графит и определить временные масштабы, на которых это происходит. Для возбуждения электронов в алмазе физики использовали рентгеновский лазер FERMI на свободных электронах. Сразу вслед за коротким рентгеновским импульсом, образец просвечивали импульсами оптического лазера — так можно было обнаружить изменение его прозрачности, связанное с образование графита. Оказалось, что алмаз становился почти непрозрачным уже через 150 фемтосекунд (0,15 пикосекунд) после облучения. Это по меньшей мере на порядок быстрее, чем термические процессы.
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
Результат получила коллаборация Belle II
Выход за пределы Стандартной модели — важнейшая поисковая задача физиков, занимающихся элементарными частицами. В первую очередь они ориентируются на существующие крупные аномалии, например, темную материю. Множество расширений Стандартной модели опирается на введение новых невидимых бозонов, которые могли бы стать такой материей. Один из процессов, где такие бозоны могли бы себя проявить — это распад тау-лептона. Физики знают, что этот тяжелый лептон распадается на электрон или мюон и соответствующий набор нейтрино. Ряд теорий, однако, предсказывает альтернативный канал распада, в котором вместо нейтрино рождается темный бозон. Проверить эту гипотезу вызвались физики из коллаборации Belle II, работающие на лептонном коллайдере SuperKEKB. В ходе измерительной кампании, длящейся с 2019 по 2020 год, ученые собрали данные о более, чем 57 миллионах событий, в которых сталкивающиеся электроны и позитроны превращаются в таон-антитаонные пары при энергии в системе центра масс, равной 10,58 гигаэлектронвольта. Интегральная светимость эксперимента составила 62,8 обратного фемтобарна. Физиков интересовали коэффициенты ветвления процессов с участием темных бозонов, деленные на соответствующие коэффициенты для известных процессов. Авторы протестировали собранные данные для бозонов в диапазоне масс от 0 до 1,6 гигаэлектронвольта и не нашли подтверждения этой гипотезе. Результат работы физиков накладывает новые ограничения на отношения коэффициентов ветвления: (6−36)×10−3 для распада на электрон и (3−34)×10−3 для распада на мюон с доверительным интервалом 95 процентов. Японский коллайдер SuperKEKB — это модернизированная версия его предшественника, коллайдера KEKB. Он был снова запущен после семи лет ремонта в 2018 году. С тех пор на нем было получено множество новых результатов, например, уточненное время жизни очарованного лямбда-бариона.