DESY團隊展示了第一臺太赫茲增強型電子衍射儀

DESY 的科學家們建造了一個緊湊型電子相機，可以捕捉到物質(zhì)的內(nèi)部超快動力學。該系統(tǒng)向樣品發(fā)射短束電子以拍攝其當前內(nèi)部結構的快照，并且是第一個使用太赫茲輻射進行脈沖壓縮的電子衍射儀。來自自由電子激光科學中心 CFEL 的 DESY 科學家 Dongfang Zhang 和 Franz Kärtner 的開發(fā)團隊通過對硅樣品的研究驗證了他們的太赫茲增強型超快電子衍射儀，并在超快科學雜志的第一期中介紹了他們的工作，科學期刊科學組的新標題。

電子衍射是研究物質(zhì)內(nèi)部結構的一種方法。但是，它不會直接對結構進行成像。相反，當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，可以計算出固體的內(nèi)部晶格結構。為了檢測這種內(nèi)部結構的動態(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的粒子加速器常規(guī)高質(zhì)量地生產(chǎn)。然而，這些機器通常又大又笨重，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備的大小。DESY 團隊現(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。

為了進行原理驗證研究，科學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期，驗證了我們的太赫茲設備，”張說。他估計，在優(yōu)化設置中，電子束可以被壓縮到顯著小于 100 飛秒，從而實現(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，因為我們只使用一個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。同步是這種超快實驗的關鍵。為了監(jiān)測像硅這樣的物質(zhì)樣本中快速的結構變化，研究人員通常會多次重復實驗，同時每次都稍微延遲測量脈沖。這種延遲可以調(diào)整得越準確，結果就越好。通常，啟動實驗的激發(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。如果實驗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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