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桌面式电子摄像机捕捉到物质的超快动力学现象
发布时间:2021-09-13 21:31:36 阅读:77

来源:德国电子同步加速器研究所(Deutsches Elektronen-Synchrotron);电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 张启宇 聂梦雪 编译

该系统安装在实验台上,通过光学激光器(绿色)来进行调节。来自DESY, Timm Rohwer

    DESY的科学家们建造了一个紧密的电子摄像机,它能够捕获到物体内部的超快动力学。该系统向样品发射窄电子束,从而获取包含样品当前内部结构的快照。这是第一个使用太赫兹辐射源来产生脉冲压缩信号的电子衍射仪。来自DESY科学家张东方(音译)和自由电子激光科学中心的Franz Kärtner组成研发团队,通过对硅样品的研究验证了他们的太赫兹增强型超快电子衍射仪,并在《超快科学》杂志的科学期刊科学组第一期上采用新标题介绍了他们的工作。

    电子衍射是研究物质内部结构的一种方式。然而,它并没有直接描述物质的结构。反之,当电子撞击或者穿透固体样品时,它们会被固体内部晶格中的电子以一种系统性的方式进行偏转。通过记录在探测器上的衍射图样可以计算出固体的内部晶格结构。为了探测这种物质内部结构的动态变化,必须使用足够明亮的电子短束流。“电子束流越短,曝光时间就越快。”上海交通大学的张教授说。“通常,超快电子衍射(UED)使用的电子束长度或者说曝光时间约为100飞秒,即10^-13秒。”

    这种短电子束通常可以由最先进的粒子加速器高质量地产生,但是这种机器通常又大又笨重,部分原因是由于给它们供能的射频辐射在千兆赫兹波段工作,辐射的波长决定了整个设备的的大小。DESY团队现在所使用的是太赫兹辐射,波长比其大约短了100倍。“这基本上意味着,加速器的组件,也是这里所说的束流压缩器,也可以缩小100倍。”汉堡大学“CUI:先进物质成像”优秀团队的教授和成员Kärtner说。

    在他们的理论证实研究中,科学家们向一个由段激光脉冲加热的的硅晶体发射每束约10000个电子的电子束。这些电子束拥有约180飞秒的束长,并且清晰的显示了激光击中晶体后,硅样品的晶格如何在1皮秒(10^-12秒)内迅速膨胀。“硅在这些情况下的行为是众所周知的,我们的测量结果完全符合预期,验证了我们的太赫兹设备。”张教授说。据他估计,在优化设置下,电子束长度可以被压缩到显著低于100飞秒,从而为达到更快速的快照提供条件。

    在减小规模的基础上,太赫兹电子衍射仪还有一个对研究人员来说可能更重要的优势。“我们的系统是完全同步的,这是由于我们在全部过程中使用同一个激光:生产、操纵、测量和压缩电子束,产生太赫兹辐射甚至加热样品。”Kärtner解释道。在这种超快实验中,同步是关键。为了监测硅等物质样本内快速的结构变化,研究人员通常会重复多次实验,同时每次都将测量脉冲延迟一些。这个延迟调整的越精确,测量结果就越好。通常,在启动实验的激励激光脉冲和测量脉冲之间需要有某种意义上的同步,在这种情况下来说是电子束。如果两者都是,实验的开始和电子束及其操纵都是由同一束激光触发的,那么从本质上来讲,同步是已给定的。

    在下一步中,科学家们计划增加电子的能量。更高的能量意味着电子可以穿透更厚的样品。原型装置使用了相当低能量的电子,硅样品必须被切成35纳米(10^-6毫米)的厚度。正如研究人员解释的那样:再添加一个加速级,电子就有足够的能量穿透厚度为原来30倍,即厚度高达1微米(10^-3毫米)的样品。对于更厚的样品,通常使用X射线。虽然X射线衍射是一种成熟且非常成功的技术,但电子通常不会像X射线那样迅速损坏样品。张解释道:“当使用电子时,累积的能量要低得多。”在研究精细材料时,这可能证明是有用的。

    这项工作得到了欧洲研究理事会的支持,并得到了欧盟第七框架计划(FP7/2007—2013)、协同奖AXIS(609920)、德意志项目KA90812/1的FoSunggEngEngSHIFT的支持,并且该项目中使用的是由Gordon and Betty Moore基金会资助的芯片加速器(ACHIP)(GBM444)。

 
 

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