Terahertz-strålingsteknik åbner en ny dør til at studere atomær adfærd

Forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har gjort et lovende nyt fremskridt for laboratoriets højhastigheds "elektronkamera", der kunne give dem mulighed for at "filme" bittesmå, ultrahurtige bevægelser af protoner og elektroner i kemiske reaktioner, der aldrig er set før. Sådanne "film" kunne i sidste ende hjælpe videnskabsmænd med at designe mere effektive kemiske processer, opfind næste generations materialer med nye egenskaber, udvikle lægemidler til at bekæmpe sygdom og mere.

Den nye teknik udnytter en form for lys kaldet terahertz-stråling, i stedet for den sædvanlige radiofrekvente stråling, at manipulere de elektronstråler, som instrumentet bruger. Dette lader forskere kontrollere, hvor hurtigt kameraet tager snapshots og, på samme tid, reducerer en irriterende effekt kaldet timing-jitter, som forhindrer forskere i nøjagtigt at registrere tidslinjen for, hvordan atomer eller molekyler ændrer sig.

Metoden kan også føre til mindre partikelacceleratorer:Fordi terahertz-strålingens bølgelængder er omkring hundrede gange mindre end radiobølger, instrumenter, der bruger terahertz-stråling, kunne være mere kompakte.

Forskerne har offentliggjort resultaterne i Fysisk gennemgangsbreve den 4. februar.

Et fartkamera

SLAC's "elektronkamera, " eller ultrahurtig elektrondiffraktion (MeV-UED) instrument, bruger højenergistråler af elektroner, der bevæger sig nær lysets hastighed, til at tage en række snapshots - i det væsentlige en film - af handling mellem og inden for molekyler. Dette er blevet brugt, for eksempel, at optage en film af, hvordan et ringformet molekyle knækker, når det udsættes for lys, og at studere processer på atomniveau i smeltende wolfram, der kunne informere om atomreaktordesign.

Teknikken fungerer ved at skyde bundter af elektroner mod et målobjekt og registrere, hvordan elektroner spredes, når de interagerer med målets atomer. Elektronbundterne definerer lukkerhastigheden for elektronkameraet. Jo kortere bundter, jo hurtigere bevægelser kan de fange i et skarpt billede.

"Det er som om målet er frosset i tid et øjeblik, " siger SLACs Emma Snively, der stod i spidsen for den nye undersøgelse.

Af den grund, forskere ønsker at få alle elektronerne i en flok til at ramme et mål så tæt på samtidigt som muligt. Det gør de ved at give elektronerne på bagsiden et lille løft i energi, for at hjælpe dem med at indhente dem i spidsen.

Indtil nu, forskere har brugt radiobølger til at levere denne energi. Men den nye teknik udviklet af SLAC-teamet på MeV-UED-anlægget bruger i stedet lys ved terahertz-frekvenser.

Hvorfor terahertz?

En vigtig fordel ved at bruge terahertz-stråling ligger i, hvordan eksperimentet forkorter elektronbundterne. I MeV-UED-anlægget, videnskabsmænd skyder en laser på en kobberelektrode for at slå elektroner af og skabe stråler af elektronbundter. Og indtil for nylig, de brugte typisk radiobølger til at gøre disse bundter kortere.

Imidlertid, radiobølgerne forstærker også hver elektrongruppe til en lidt anderledes energi, så individuelle bundter varierer i, hvor hurtigt de når deres mål. Denne tidsvariation kaldes jitter, og det reducerer forskernes evner til at studere hurtige processer og præcist tidsstemple, hvordan et mål ændrer sig med tiden.

Terahertz-metoden kommer uden om dette ved at dele laserstrålen i to. En stråle rammer kobberelektroden og skaber elektronbundter som før, og den anden genererer terahertz-strålingsimpulserne til at forkorte elektronbundterne. Da de blev produceret af den samme laserstråle, elektronbundter og terahertz-impulser er nu synkroniseret med hinanden, reducerer timing-jitter mellem bundter.

Ned til femtosekundet

En nøgleinnovation for dette arbejde, siger forskerne, skabte et partikelacceleratorhulrum, kaldet kompressoren. Dette omhyggeligt bearbejdede metalstykke er lille nok til at ligge i håndfladen. Inde i enheden, terahertz-impulser forkorter elektronbundter og giver dem et målrettet og effektivt skub.

Som resultat, holdet kunne komprimere elektronbundter, så de holder kun et par snesevis af femtosekunder, eller kvadrilliontedele af et sekund. Det er ikke så meget komprimering, som konventionelle radiofrekvensmetoder kan opnå nu, men forskerne siger, at evnen til samtidig at sænke jitter gør terahertz-metoden lovende. De mindre kompressorer, der er muliggjort af terahertz-metoden, ville også betyde lavere omkostninger sammenlignet med radiofrekvensteknologi.

"Typiske radiofrekvenskompressionssystemer producerer kortere bundter, men meget høj jitter, " siger Mohamed Othman, endnu en SLAC-forsker på holdet. "Hvis du producerer en komprimeret masse og også reducerer jitteren, så vil du være i stand til at fange meget hurtige processer, som vi aldrig har været i stand til at observere før."

Til sidst, holdet siger, målet er at komprimere elektronbundter ned til omkring et femtosekund. Forskere kunne derefter observere de utroligt hurtige tidsskalaer for atomær adfærd i fundamentale kemiske reaktioner som brintbindinger, der brydes og individuelle protoner, der overføres mellem atomer, for eksempel, som ikke er fuldt ud forstået.

"Samtidig med at vi undersøger fysikken i, hvordan disse elektronstråler interagerer med disse intense terahertz-bølger, vi er også virkelig ved at bygge et værktøj, som andre videnskabsmænd kan bruge med det samme til at udforske materialer og molekyler på en måde, som ikke var mulig før, " siger SLAC's Emilio Nanni, der ledede projektet med Renkai Li, en anden SLAC-forsker. "Jeg tror, ​​det er et af de mest givende aspekter af denne forskning."