Новый научный прибор в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики обещает зафиксировать некоторые из самых быстрых процессов в природе. Он использует метод, известный как дифракция сверхбыстрых электронов (UED), и может обнаруживать движения электронов и атомных ядер внутри молекул, которые происходят менее чем за одну десятую триллионной доли секунды. биология.
«Мы создали одну из лучших в мире систем UED, чтобы создать новые возможности для исследований в сверхбыстрой науке», - говорит Сиджи Ван из SLAC, отвечающая за разработку нового прибора, описанного в статье, опубликованной 24 июля в журнале Review. научных приборов.«Наш аппарат излучает электронные пучки с лучшим качеством, чем любой другой аппарат УЭД. Например, он позволяет нам изучать химические процессы в газовой фазе, которые происходят в четыре раза быстрее, чем те, которые мы можем исследовать с помощью современных технологий УЭД».
Эта методика дополняет сверхбыстрые исследования с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах компании SLAC. Подобно рентгеновскому излучению, высокоэнергетические электроны могут делать снимки внутренней части материалов, когда они проходят через них. Однако электроны по-разному взаимодействуют с материалами и «видят» разные вещи. Сочетание обоих методов дает более полную картину, которая поможет исследователям лучше понять и, возможно, контролировать важные сверхбыстрые процессы в сложных системах, начиная от магнитных устройств хранения данных и заканчивая химическими реакциями.
«Видеть» сверхбыстрые процессы с электронами
Высочайшая производительность новой системы UED обусловлена очень стабильной «электронной пушкой», первоначально разработанной для рентгеновского лазера Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC, пользовательского оборудования Управления науки Министерства энергетики США. Этот источник электронов производит высокоэнергетические электроны, упакованные в чрезвычайно короткие сгустки. Каждую секунду он выбрасывает 120 таких пучков, генерируя мощный электронный луч, который исследователи используют для исследования объектов внутри.
Но как ученые могут мельком увидеть внутреннюю часть материалов с такими частицами, как электроны?
Метод работает, потому что у частиц есть вторая природа: они также ведут себя как волны. Когда электронные волны проходят через образец, они рассеиваются атомными ядрами и электронами образца. Затем рассеянные волны объединяются, образуя так называемую дифракционную картину, улавливаемую детектором. Весь аппарат работает как высокоскоростная камера, фиксируя различия в дифракционных картинах с течением времени, которые ученые используют для реконструкции внутренней структуры образца и ее изменений.
Поскольку пучки электронов в приборе SLAC UED чрезвычайно короткие, они обнаруживают изменения, происходящие менее чем за 100 квадриллионных долей секунды или 100 фемтосекунд, например, в ответ на ультракороткие лазерные импульсы.
«УЭД разрабатывался в течение последних 10-15 лет, но силы отталкивания между электронами в электронном пучке ограничивали временное разрешение предыдущих экспериментов», - говорит первый автор статьи Стивен Уэзерсби, управляющий лабораторией. Зона испытаний конструкции ускорителя SLAC (ASTA), где установлена машина UED. «Опыт LCLS в области технологии электронных пушек и сверхбыстрых лазерных систем дает нашей системе производительность и стабильность, необходимые для изучения гораздо более быстрых процессов».
Электроны плюс рентгеновские лучи для сверхбыстрой науки
Электроны ведут себя подобно рентгеновским лучам в том, как они исследуют быстрые явления в природе. Электроны рассеиваются как на электронах, так и на атомных ядрах в материалах. Рентгеновские лучи, с другой стороны, взаимодействуют только с электронами. Поэтому электронные и рентгеновские исследования очень быстрых структурных изменений дополняют друг друга.
Команда под руководством SLAC уже начала комбинировать оба подхода, чтобы лучше понять связь между магнитным поведением определенных материалов и их структурными свойствами в исследованиях, которые могут помочь в разработке устройств хранения данных следующего поколения.
Электроны также открывают путь к исследованиям, которые очень сложно провести с помощью рентгеновских лучей.
«Электроны взаимодействуют с материалами гораздо сильнее, чем рентгеновские лучи», - говорит Ренкай Ли из SLAC, ведущий автор статьи. «Мы смогли проанализировать такие образцы, как очень тонкие пленки, чьи рентгеновские сигналы были бы очень слабыми».
Например, исследователи изучили один атомный слой материала, интересного для будущих электронных устройств.
«Еще один интересный случай - образцы газовой фазы, - говорит Ли. «Из-за почти в 1000 раз более короткой длины волны электронов по сравнению с рентгеновскими лучами, UED может видеть гораздо более тонкие структурные детали. Мы можем видеть, как атомы в молекулах движутся с помощью UED, что является важным шагом на пути к созданию молекулярных фильмы о сверхбыстрых химических реакциях."
Добавление «Ultrasmall» в микс
Исследователи уже наметили следующие шаги по дальнейшему совершенствованию инструмента UED.
Они планируют сделать его еще быстрее, что соответствует камере с выдержкой, близкой к 10 фемтосекундам, и в конечном итоге уменьшит размер электронного луча с его нынешних 100 микрон - диаметра среднего человеческого волоса - менее одного микрона. Эти достижения могут быть использованы для изучения того, как сверхбыстрые движения в крошечных областях материалов связаны с магнетизмом и другими свойствами материала.
Конечная цель ученых состоит в том, чтобы превратить UED в сверхбыстрый электронный микроскоп - инструмент, который будет показывать детали, слишком мелкие, чтобы их можно было увидеть в оптический микроскоп. Существующие электронные микроскопы уже могут фиксировать события за 10 миллиардных долей секунды, но с помощью инструмента SLAC исследователи надеются увеличить скорость до процессов, которые выполняются в 1000 раз быстрее.
«Сверхбыстрая электронная микроскопия объединит два авторитетных независимых сообщества: исследователей, работающих в области электронной микроскопии и сверхбыстрой рентгеновской науки», - говорит соавтор Герман Дюрр из SLAC, который является одним из научных координаторов проекта.«Это создаст непредвиденные возможности для сверхбыстрой науки с электронами, подобные великим вещам, которые мы наблюдали несколько лет назад в LCLS, когда лазерная наука и рентгеновская наука объединились в новую область сверхбыстрой рентгеновской науки».
Помимо исследователей из SLAC и Стэнфордского университета, в исследовательскую группу вошли ученые из Университета Небраски, Линкольна и Университета Дуйсбург-Эссен в Германии.