 Новый научный инструмент в Национальной ускорительной лаборатории обещает захватить некоторые из самых быстрых процессов природы. Он использует метод, известный как сверхбыстрая дифракция электронов (UED) и может раскрыть движения электронов и атомных ядер в молекулах, которые происходят за менее, чем одну триллионную секунды - информация, которая приведет к новаторским исследованиям в области материаловедения, химии и биологии.
Ученые построили одну из лучших в мире систем UED для создания новых возможностей исследований в сверхбыстрой науке. Их аппаратура обеспечивает электронные пучки с лучшим качеством, чем в любой другой машине UED. Например, она позволяет им изучать химические процессы в газовой фазе, которые в четыре раза быстрее, чем те, которые они могут рассмотреть при нынешних технологиях UED.
Техника дополняет сверхбыстрые исследования рентгеновского лазера на свободных электронах. Подобно рентгеновским лучам, высоко энергичные электроны могут делать снимки интерьера материалов, поскольку они проходят через них. Тем не менее, электроны по-разному взаимодействуют с материалами и «видят» разные вещи. Оба метода в сочетании позволяют нарисовать более полную картину, которая поможет исследователям лучше понять и, возможно, контролировать важные сверхбыстрые процессы в сложных системах, начиная от магнитных устройств хранения данных до химических реакций.
Превосходные характеристики новой системы UED связано с очень стабильной «электронной пушкой», изначально разработанной для рентгеновского лазерного когерентного источника света. Этот источник электронов производит весьма энергичные электроны, упакованные в очень короткие сгустки. Он выбрасывают 120 из этих сгустков каждую секунду, создавая мощный электронный пучок, который исследователи используют, чтобы исследовать объекты на внутренней части.
Но как ученые могут на самом деле увидеть внутренний состав таких частиц, как электроны?
Метод работает потому, что частицы имеют вторую природу: они ведут себя как волны. Когда волны электронов проходят через образец, они рассеивают атомные ядра и электроны образца. Рассеянные волны в совокупности образуют так называемую дифракционную картину, которая обнаруживается детектором. Весь аппарат работает как высокоскоростная камера, захватывая различия в дифракции с течением времени, которые ученые используют для восстановления внутренней структуры образца и того, как он меняется.
Так электронные сгустки в инструменте являются чрезвычайно короткими, они показывают изменения, которые происходят в 100 фемтосекунд, например, в ответ на ультракороткие лазерные импульсы.
Электроны ведут себя аналогично рентгеновским лучам в том, как они исследуют быстрые явления в природе. Электроны рассеиваются как электроны, так и атомные ядра в материалах. Рентгеновские лучи, с другой стороны, взаимодействуют только с электронами. Таким образом, электронные и рентгеновские исследования очень быстрых структурных изменений дополняют друг друга.
Исследователи уже начали комбинировать оба подхода, чтобы лучше понять связь между магнитным поведением некоторых материалов и их структурных свойствах в исследованиях, которые могли бы помочь разработать устройства хранения данных следующего поколения.
Электроны также обеспечивают путь к исследованиям, которые очень сложно выполнить с рентгеновскими лучами. Электроны взаимодействуют с материалами гораздо сильнее, чем рентгеновские лучи. Ученые смогли проанализировать образцы, такие как очень тонкие пленки, чей рентгеновский сигнал был бы очень слабым. Исследователи также изучили одноатомный слой материала, который представляет интерес для будущих электронных устройств.
Еще один интересным случаем являются образцы газовой фазы. Из-за почти 1000-кратной более короткой длины волны электронов по сравнению с рентгеновскими лучами, UED может увидеть гораздо более тонкие структурные детали, что является важным шагом на пути к наблюдению сверхбыстрых химических реакций.
Исследователи уже наметили дальнейшие шаги по дальнейшему совершенствованию инструмента сверхбыстрой дифракции электронов.
Они планируют сделать его еще быстрее, добавив соответствующую камеру с выдержкой около 10 фемтосекунд, и в конечном итоге уменьшить размер электронного пучка с нынешних 100 мкм до ниже одного микрона. Эти достижения могут быть использованы для исследования того, как сверхбыстрые движения в крошечных областях материалов связаны с магнетизмом и другими свойствами материала.
Конечная цель ученых состоит в превращении прибора в сверхбыстрый электронный микроскоп, которые может показать детали, являющиеся слишком малыми с помощью оптического микроскопа. Существующие электронные микроскопы уже могут захватить события за 10 миллиардную долю секунды, но с инструментом сверхбыстрой дифракции электронов, исследователи надеются подтолкнуть скорость процессов в 1000 раз быстрее.
Сверхбыстрая электронная микроскопия соединит две установленные независимые общины вместе: исследователей, работающих в электронной микроскопии и ученых, работающих в сверхбыстрой рентгеновской науке. Это создаст непредвиденные возможности для сверхбыстрой науки с электронами, подобно тому знаковому событию, когда лазерная наука и рентгеновская наука объединились в новую область сверхбыстрой рентгеновской науки.
|
