DESY 的科學(xué)家們建造了一個緊湊型電子相機(jī)，可以捕捉到物質(zhì)的內(nèi)部超快動力學(xué)。該系統(tǒng)向樣品發(fā)射短束電子以拍攝其當(dāng)前內(nèi)部結(jié)構(gòu)的快照，并且是第一個使用太赫茲輻射進(jìn)行脈沖壓縮的電子衍射儀。來自自由電子激光科學(xué)中心 CFEL 的 DESY 科學(xué)家 Dongfang Zhang 和 Franz Kärtner 的開發(fā)團(tuán)隊(duì)通過對硅樣品的研究驗(yàn)證了他們的太赫茲增強(qiáng)型超快電子衍射儀，并在超快科學(xué)雜志的第一期中介紹了他們的工作，科學(xué)期刊科學(xué)組的新標(biāo)題。
電子衍射是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種方法。但是，它不會直接對結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。相反，當(dāng)電子撞擊或穿過固體樣品時，它們會被固體內(nèi)部晶格中的電子系統(tǒng)地偏轉(zhuǎn)。根據(jù)這種衍射圖案，記錄在檢測器上，可以計(jì)算出固體的內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)。為了檢測這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，必須使用足夠明亮的短電子束。“束越短，曝光時間越快，”現(xiàn)任上海交通大學(xué)教授的張說。“通常，超快電子衍射 (UED) 使用約 100 飛秒的束長或曝光時間，即 0.1 萬億分之一秒。”
這種短電子束可以通過最先進(jìn)的粒子加速器常規(guī)高質(zhì)量地生產(chǎn)。然而，這些機(jī)器通常又大又笨重，部分原因是用于為它們供電的射頻輻射工作在千兆赫茲頻段。輻射的波長決定了整個設(shè)備的大小。DESY 團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在使用太赫茲輻射，而不是波長大約短一百倍。“這基本上意味著，加速器組件，這里是一堆壓縮器，也可以小一百倍，”Kärtner 解釋說，他也是教授和卓越集群“CUI：物質(zhì)的高級成像”的成員。漢堡大學(xué)。
為了進(jìn)行原理驗(yàn)證研究，科學(xué)家們在由短激光脈沖加熱的硅晶體上發(fā)射了每束大約有 10,000 個電子的電子束。這些束長約 180 飛秒，清楚地顯示了在激光擊中晶體后硅樣品的晶格如何在皮秒(萬億分之一秒)內(nèi)快速膨脹。“硅在這些情況下的行為是眾所周知的，我們的測量完全符合預(yù)期，驗(yàn)證了我們的太赫茲設(shè)備，”張說。他估計(jì)，在優(yōu)化設(shè)置中，電子束可以被壓縮到顯著小于 100 飛秒，從而實(shí)現(xiàn)更快的快照。
除了縮小尺寸之外，太赫茲電子衍射儀還有另一個對研究人員來說可能更重要的優(yōu)勢：“我們的系統(tǒng)是完全同步的，因?yàn)槲覀冎皇褂靡粋€激光器完成所有步驟：生成、操縱、測量和壓縮電子束，產(chǎn)生太赫茲輻射，甚至加熱樣品，”Kärtner 解釋說。同步是這種超快實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。為了監(jiān)測像硅這樣的物質(zhì)樣本中快速的結(jié)構(gòu)變化，研究人員通常會多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，同時每次都稍微延遲測量脈沖。這種延遲可以調(diào)整得越準(zhǔn)確，結(jié)果就越好。通常，啟動實(shí)驗(yàn)的激發(fā)激光脈沖和測量脈沖之間需要某種同步，在這種情況下是電子束。如果實(shí)驗(yàn)的開始和電子束及其操縱都由同一激光觸發(fā)，則本質(zhì)上是同步的。
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