Elektronisk kamera i bordplade fanger ultrahurtig dynamik i sagen

Forskere ved DESY har bygget et kompakt elektronkamera, der kan fange det indre, ultrahurtig dynamik af stof. Systemet skyder korte elektronbundter ved en prøve for at tage øjebliksbilleder af dets nuværende indre struktur. Det er det første sådanne elektrondiffraktometer, der bruger Terahertz -stråling til pulskomprimering. Udviklerholdet omkring DESY-forskere Dongfang Zhang og Franz Kärtner fra Center for Free-Electron Laser Science CFEL validerede deres Terahertz-forbedrede ultrahurtige elektrondiffraktometer med undersøgelse af en siliciumprøve og præsenterede deres arbejde i det første nummer af tidsskriftet Ultrahurtig videnskab , en ny titel i Videnskab gruppe af videnskabelige tidsskrifter.

Elektrondiffraktion er en måde at undersøge materiens indre struktur på. Imidlertid, det forestiller ikke strukturen direkte. I stedet, når elektronerne rammer eller krydser en fast prøve, de afbøjes systematisk af elektronerne i faststoffets indre gitter. Ud fra mønsteret af denne diffraktion, optaget på en detektor, faststoffets indre gitterstruktur kan beregnes. For at opdage dynamiske ændringer i denne indre struktur, korte bundter af tilstrækkeligt lyse elektroner skal bruges. "Jo kortere flok, jo hurtigere eksponeringstid, "siger Zhang, som nu er professor ved Shanghai Jiao Tong University. "Typisk, ultrahurtig elektrondiffraktion (UED) bruger bundtlængder, eller eksponeringstider, på omkring 100 femtosekunder, hvilket er 0,1 billioner af et sekund. "

Sådanne korte elektronbundter kan rutinemæssigt fremstilles med høj kvalitet ved hjælp af state-of-the-art partikelacceleratorer. Imidlertid, disse maskiner er ofte store og omfangsrige, dels på grund af den radiofrekvente stråling, der bruges til at drive dem, der opererer i Gigahertz -båndet. Bølgelængden af ​​strålingen indstiller størrelsen for hele enheden. DESY -teamet bruger nu Terahertz -stråling i stedet med cirka hundrede gange kortere bølgelængder. "Det betyder dybest set, acceleratorens komponenter, her en flok kompressor, kan være hundrede gange mindre, også, "forklarer Kärtner, som også er professor og medlem af ekspertiseklyngen "CUI:Advanced Imaging of Matter" ved University of Hamburg.

Til deres principbeskrivelsesundersøgelse, forskerne fyrede klaser med cirka 10, 000 elektroner hver ved en siliciumkrystal, der blev opvarmet af en kort laserpuls. Bundterne var cirka 180 femtosekunder lange og viser tydeligt, hvordan krystalgitteret af siliciumprøven hurtigt ekspanderer inden for et picosekund (billioner af et sekund), efter at laseren rammer krystallen. "Siliciums opførsel under disse omstændigheder er meget velkendt, og vores målinger passer perfekt til forventningen, validering af vores Terahertz -enhed, "siger Zhang. Han vurderer, at i et optimeret set-up, elektronbundterne kan komprimeres til betydeligt mindre end 100 femtosekunder, muliggør endnu hurtigere snapshots.

Oven på dens reducerede størrelse, Terahertz elektrondiffraktometer har en anden fordel, der kan være endnu vigtigere for forskere:"Vores system er perfekt synkroniseret, da vi kun bruger en laser til alle trin:Generering, manipulerende, måling og komprimering af elektronbundterne, fremstilling af Terahertz -strålingen og endda opvarmning af prøven, "Forklarer Kärtner. Synkronisering er nøglen i denne form for ultrahurtige eksperimenter. For at overvåge de hurtige strukturændringer inden for en prøve af stof som silicium, forskere plejer at gentage forsøget mange gange, mens de forsinker målepulsen lidt mere hver gang. Jo mere præcis denne forsinkelse kan justeres, jo bedre resultat. Som regel, der skal være en form for synkronisering mellem den spændende laserpuls, der starter eksperimentet og målepulsen, i dette tilfælde elektronbunken. Hvis begge, eksperimentets start og elektronbunken og dens manipulation udløses af den samme laser, synkroniseringen er iboende givet.

I et næste trin, forskerne planlægger at øge elektronernes energi. Højere energi betyder, at elektronerne kan trænge ind i tykkere prøver. Prototypesætningen brugte temmelig lavenergi-elektroner, og siliciumprøven skulle skæres ned til en tykkelse på kun 35 nanometer (milliontedele af en millimeter). Tilføjelse af endnu et accelerationstrin kan give elektronerne nok energi til at trænge igennem 30 gange tykkere prøver med en tykkelse på op til 1 mikrometer (tusindedel af en millimeter), som forskerne forklarer. For endnu tykkere prøver, Normalt bruges røntgenbilleder. Selvom røntgendiffraktion er en veletableret og meget vellykket teknik, elektroner beskadiger normalt ikke prøven så hurtigt som røntgenstråler gør. "Den deponerede energi er meget lavere, når man bruger elektroner, "forklarer Zhang. Dette kan vise sig nyttigt, når man undersøger sarte materialer.

Dette arbejde er blevet støttet af Det Europæiske Forskningsråd under Den Europæiske Unions syvende rammeprogram (FP7/2007-2013) gennem Synergy Grant AXSIS (609920), Projekt KA908-12/1 i Deutsche Forschungsgemeinschaft, og acceleratoren på et chipprogram (ACHIP) finansieret af Gordon og Betty Moore -fonden (GBMF4744).