Forbigående gitterspektroskopi med ultrahurtige røntgenstråler

Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI er lykkedes for første gang at kigge indvendige materialer ved hjælp af metoden til forbigående gitterspektroskopi med ultrahurtige røntgenstråler på SwissFEL. Eksperimentet på PSI er en milepæl i at observere processer i atomverdenen. Forskerne offentliggør deres forskningsresultater i dag i tidsskriftet Natur fotonik .

Strukturerne på mikrochips bliver stadig smalere; harddiske skriver hele encyklopædier på magnetiske diske på størrelse med en negl. Mange teknologier bryder i øjeblikket igennem grænserne for klassisk fysik. Men i nanoworld, andre love gælder - kvantefysikkens love. Og der er stadig mange ubesvarede spørgsmål:Hvordan går varmen egentlig gennem et halvledermateriale på nanoskalaen? Hvad sker der nøjagtigt, når individuelle bits magnetiseres på en computers harddisk, og hvor hurtigt kan vi skrive? Der er stadig ingen svar på disse og mange flere spørgsmål hovedsageligt fordi nuværende eksperimentelle teknikker ikke kan se dybt og præcist nok ind i materialerne, og fordi nogle processer finder sted alt for hurtigt for konventionelle eksperimentelle metoder. Men hvis vi vil gå videre med teknisk miniaturisering, vi er nødt til at forstå sådanne fænomener på atomniveau

Blandingen af ​​metoder gør forskellen

Frisk impuls bliver nu bragt til sagen takket være en ny metode, der er udviklet af PSI -forsker Cristian Svetina, sammen med Jeremy Rouxel og Majed Chergui på EPFL i Lausanne, Keith Nelson på MIT i USA, Claudio Masciovecchio på Fermi FEL i Italien, og andre internationale partnere. "Metoden er faktisk ikke ny, selvom, og det har været brugt i årtier i det optiske regime med usædvanlige resultater, "siger Svetina, der i øjeblikket er ved at oprette den nye Furka -eksperimentstation på SwissFEL beamline Athos på PSI. Hvad er specielt, han siger, er kombinationen og forlængelsen af ​​kendte metoder fra ikke -lineær laserfysik, men ved hjælp af røntgenlys fra den nye røntgenfri-elektronlaser SwissFEL. Denne kombination er både ny og overraskende. Flere forsøg har tidligere været gjort af mange grupper rundt om i verden, men uden held. Det er endda blevet stillet spørgsmålstegn ved, om sådanne nye eksperimenter overhovedet kunne gennemføres med succes ved røntgenstråles høje energier. Teamet på PSI har bevist:Ja, det kan lade sig gøre.

Kernen, dette er en metode kaldet forbigående gitterspektroskopi. Spektroskopi er et gennemprøvet sæt metoder, der bruges af fysikere til at indhente oplysninger om et materiale, såsom de kemiske elementer og forbindelser, den består af, dens magnetiske egenskaber, og hvordan atomer bevæger sig inden i det. I den særlige variant kaldet forbigående gitterspektroskopi, prøven bombarderes med to laserstråler, der skaber et interferensmønster. En tredje laserstråle diffrakteres ved dette mønster, at skabe en fjerde stråle, der indeholder oplysninger om prøvens egenskaber.

Ser under overfladen

Udtrykket laser bruges altid til at beskrive lys i det synlige eller infrarøde område af bølgelængdespektret. Derfor kan lasere kun se inde i en prøve med en opløsning begrænset til hundredvis af nanometer. For at gå ud over dette, Røntgenbilleder er nødvendige. Forskere ved PSI er nu lykkedes for første gang at gøre forbigående gitterspektroskopi tilgængelig for en røntgenlaser, ved hjælp af meget hårde røntgenstråler med en energi på 7,1 kiloelektronvolt, hvilket svarer til en bølgelængde på 0,17 nanometer, eller omkring diameteren af ​​mellemstore atomer. Fordelen:For første gang, det er muligt at kigge inde i materialer med en opløsning ned til individuelle atomer samt med ultrakorte eksponeringstider for brøkdele af femtosekunder (en milliontedel af en milliarddel af et sekund), som endda gør det muligt at optage videoer af atomprocesser. Ud over, metoden er elementselektiv, hvilket betyder, at man selektivt kan måle specifikke kemiske elementer i en blanding af stoffer. Metoden supplerer veletablerede teknikker såsom uelastisk neutron og røntgenstråling, tilføjer bedre opløsning med hensyn til både tid og energi.

I praksis, den eksperimentelle opsætning ser sådan ud:SwissFEL sender en stråle med en diameter på 0,2 millimeter, bestående af ultrakorte røntgenpulser, på et transmissionsfaserist af diamant, der ligner en fin kam under mikroskopet. Diamant bruges, fordi den ikke ødelægges selv af højenergirøntgenstråler. Det blev lavet specielt til dette eksperiment af Christian David fra Laboratory for Micro and Nanotechnology på PSI. Afstanden mellem kamens tænder er to mikrometer, men dette kan gå ned til nanometer, hvis det er nødvendigt. De bryder røntgenstrålen til fine delstråler, der overlapper bag gitteret, skaber således det forbigående gitterdiffraktionsmønster. Bag gitteret, en-til-en-billeder af gitteret kan observeres, gentaget med jævne mellemrum-såkaldte Talbot-fly. Hvis du placerer en prøve i et af disse fly, nogle atomer i det bliver ophidsede, lige som om den sad på placeringen af ​​gitteret. Kun de atomer, der "ser" røntgenstrålerne i denne periodiske modulering, er spændte, mens de naboer, der ikke oplever bestråling, forbliver i grundtilstanden. Dette er metodens hovedattraktion, da det gør det muligt for forskere selektivt at ophidse karakteristiske interesseområder.

Kamera med blitz

Excitation af atomerne alene, imidlertid, giver ingen oplysninger. For det, en slags kamera med blitz er nødvendig for kortvarigt at afsløre prøven. Ved forbigående gitterspektroskopi, dette gøres af en laser, der målretter prøven i en vinkel og skyder billeder med minimal tidsforsinkelse til røntgenstrålen fra SwissFEL. Oplysningerne kommer ud fra bagsiden af ​​prøven og rammer en detektor, der registrerer billedet. Indledende forsøg har vist en fordel ved metoden:Den producerer ikke noget uønsket baggrundsignal. "Hvis atomerne er spændte, du ser et signal; hvis de ikke er spændte, du ser ingenting, "Svetina forklarer. Dette er ekstremt værdifuldt, når man måler prøver, der kun udsender svage signaler, og som ikke kan ses med andre teknikker, hvor en baggrund skjuler signalet.

Det faktum, at Cristian Svetina og hans team har formået at gøre, hvad andre forskere ikke har, skyldes hovedpersonernes kreativitet og tålmodighed. "Vi gik trin for trin og ville ikke prøve alt på én gang, "siger fysikeren. For fem år siden begyndte forskerne at eksperimentere på FERMI FEL med optisk lys og udvidede det til ekstremt ultraviolet lys, inden de gik videre til røntgenstråler ved PSI. Her, i stedet for at undersøge "rigtige" prøver med det samme, de brugte guldfolier til at teste, om energien var tilstrækkelig til at ophidse atomer. Det lykkedes dem at brænde gittermønsteret fra et Talbot -fly ind i folien. Svetina:"Det var da vi vidste:Hvis vi overhovedet kan udskrive strukturer, Vi kan ophidse atomer med lavere intensitet. "Hermed var vejen klar for det nu vellykkede eksperiment. Ved hjælp af en prøve af bismut germanat, forskerne var i stand til at vise, at metoden opfyldte alle deres håb med hensyn til rumlig og tidsmæssig opløsning, målehastighed, og elementselektivitet.

Næste mål:alt med røntgenstråler

Imidlertid, forskerne har endnu ikke taget det sidste skridt. Indtil nu, kun strålen, der ophidser prøven, er en røntgenstråle. Flashens kamera stammer stadig fra en laser, så det er synligt lys. Toppen ville blive nået, hvis det også var en røntgenstråle. Svetina:"Vi vil tage dette sidste skridt i løbet af året." Og de har yderligere støtte:SLAC's LCLS og PULSE Institute, begge på Stanford i Californien, RIKEN SPring-8 center i Japan, og DESY's FLASH i Tyskland har tilsluttet sig teamet.

Forskerne offentliggør deres resultater i dag i tidsskriftet Natur fotonik .