Ultrakortutbrott av elektroner har flera viktiga tillämpningar inom vetenskaplig bildbehandling, men att producera dem har vanligtvis krävt en kostsam, krafthungrig apparat som är ungefär lika stor som en bil.

I journalen Optica , forskare vid MIT, den tyska synkrotronen, och universitetet i Hamburg i Tyskland beskriver en ny teknik för att generera elektronskador, som skulle kunna vara grunden för en skokartongsstorlek som bara förbrukar en bråkdel så mycket ström som sina föregångare.

Ultrakort elektronstrålar används för att direkt samla information om material som genomgår kemiska reaktioner eller förändringar av fysiskt tillstånd. Men efter att ha skjutit ner en partikelaccelerator en halv mil lång, de används också för att producera ultrakorta röntgenstrålar.

Förra året, i Naturkommunikation , samma grupp av forskare från MIT och Hamburg rapporterade om prototypen av en liten "linjäraccelerator" som skulle kunna tjäna samma syfte som den mycket större och dyrare partikelacceleratorn. Den tekniken, tillsammans med en högre energiversion av det nya "elektronpistolen, "kan ge bildkraften hos ultrakorte röntgenpulser till akademiska laboratorier och industrilaboratorier.

Verkligen, medan elektronskurarna som rapporteras i den nya tidningen har en varaktighet som mäts i hundratals femtosekunder, eller kvadriljondelar av en sekund (vilket handlar om vad de bästa befintliga elektronkanonerna kan hantera), forskarnas tillvägagångssätt har potential att sänka deras varaktighet till en enda femtosekund. En elektronskur på en enda femtosekund kan generera attosekundsröntgenpulser, vilket skulle möjliggöra realtidsavbildning av cellulära maskiner i aktion.

"Vi bygger ett verktyg för kemister, fysiker, och biologer som använder röntgenljuskällor eller elektronstrålar direkt för att göra sin forskning, "säger Ronny Huang, en MIT -doktorand i elektroteknik och första författare till den nya uppsatsen. "Eftersom dessa elektronstrålar är så korta, de låter dig liksom frysa elektronernas rörelse inuti molekyler när molekylerna genomgår en kemisk reaktion. En femtosekund röntgenljuskälla kräver mer hårdvara, men den använder elektronkanoner."

Särskilt, Huang förklarar, med en teknik som kallas elektrondiffraktionsavbildning, fysiker och kemister använder ultrakorta utbrott av elektroner för att undersöka fasförändringar i material, såsom övergången från ett elektriskt ledande till ett icke-ledande tillstånd, och skapandet och upplösningen av bindningar mellan molekyler i kemiska reaktioner.

Ultraljudsröntgenpulser har samma fördelar som vanliga röntgenstrålar:De tränger djupare in i tjockare material. Den nuvarande metoden för att producera ultrakorta röntgenstrålar innebär att elektronskador skickas från en elektronpistol i bilstorlek genom en miljard dollar, kilometerlång partikelaccelerator som ökar deras hastighet. Sedan passerar de mellan två rader av magneter - känd som en "undulator" - som omvandlar dem till röntgenstrålar.

I tidningen som publicerades förra året-på vilken Huang var medförfattare-MIT-Hamburg-gruppen, tillsammans med kollegor från Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamburg och University of Toronto, beskrev en ny metod för att accelerera elektroner som kan krympa partikelacceleratorer till bordsskivans storlek. "Detta ska komplettera det, "Huang säger, om den nya studien.

Franz Kärtner, som var professor i elektroteknik vid MIT i 10 år innan han flyttade till tyska Synchrotron och universitetet i Hamburg 2011, ledde projektet. Kärtner är fortfarande huvudutredare vid MIT:s forskningslaboratorium för elektronik och är Huangs avhandlingsrådgivare. Han och Huang får sällskap på den nya tidningen av åtta kollegor från både MIT och Hamburg.

Subvåglängdsbegränsning

Forskarnas nya elektronpistol är en variant på en enhet som kallas en RF -pistol. Men där RF-pistolen använder radiofrekvensstrålning (RF) för att accelerera elektroner, den nya enheten använder terahertz -strålning, bandet av elektromagnetisk strålning mellan mikrovågor och synligt ljus.

Forskarnas enhet, som är ungefär lika stor som en tändsticksask, består av två kopparplattor som, på deras centra, är bara 75 mikrometer från varandra. Varje platta har två böjar, så att det ser ut som en trifold bokstav som har öppnats och placerats på sidan. Plattorna böjer i motsatta riktningar, så att de är längst ifrån varandra - 6 millimeter - vid sina kanter.

I mitten av en av plattorna finns en kvartsskiva på vilken en kopparfilm är avsatt, som när det är som tunnast, är bara 30 nanometer tjock. En kort ljusskur från en ultraviolett laser träffar filmen på dess tunnaste punkt, skakande lösa elektroner, som avges på motsatt sida av filmen.

På samma gång, en skur av terahertz -strålning passerar mellan plattorna i en riktning vinkelrätt mot laserns. All elektromagnetisk strålning kan anses ha elektriska och magnetiska komponenter, som är vinkelräta mot varandra. Terahertz -strålningen är polariserad så att dess elektriska komponent accelererar elektronerna direkt mot den andra plattan.

Nyckeln till systemet är att plattornas avsmalnande begränsar terahertz-strålningen till ett område-75-mikrometer-gapet-som är smalare än dess egen våglängd. "Det är något speciellt, " säger Huang. "Typiskt, inom optik, du kan inte begränsa något till under en våglängd. Men genom att använda den här strukturen kunde vi. Att begränsa det ökar energitätheten, vilket ökar accelerationen. "

På grund av den ökade accelerationskraften, enheten kan nöja sig med terahertz-strålar vars effekt är mycket lägre än den för radiofrekvensstrålarna som används i en typisk RF-pistol. Dessutom, samma laser kan generera både den ultravioletta strålen och, med några extra optiska komponenter, terahertz -strålen.

Enligt James Rosenzweig, professor i fysik vid University of California i Los Angeles, det är en av de mest attraktiva aspekterna av forskarnas system. "Ett av de viktigaste problemen du har med ultrasnabba källor som detta är timing jitter mellan, säga, laser- och accelerationsfältet, som ger alla möjliga systematiska effekter som gör det svårare att göra tidsupplöst elektrondiffraktion, "Säger Rosezweig.

"När det gäller Kärtners enhet, lasern producerar terahertz och producerar också fotoelektronerna, så skakan är starkt undertryckt. Du kan göra pumpsond-experiment där lasern är drivrutinen och elektronerna skulle vara sonden, och de skulle vara mer framgångsrika än vad du har just nu. Och naturligtvis skulle det vara en mycket liten och blygsam enhet. Så det kan visa sig vara mycket viktigt när det gäller det scenariot. "