Forskare från Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har gjort ett lovande nytt framsteg för labbets höghastighets "elektronkamera" som kan tillåta dem att "filma" små, ultrasnabba rörelser av protoner och elektroner i kemiska reaktioner som aldrig tidigare setts. Sådana "filmer" kan så småningom hjälpa forskare att designa mer effektiva kemiska processer, uppfinna nästa generations material med nya egenskaper, utveckla läkemedel för att bekämpa sjukdomar och mer.

Den nya tekniken drar fördel av en form av ljus som kallas terahertzstrålning, istället för den vanliga radiofrekventa strålningen, för att manipulera elektronstrålarna som instrumentet använder. Detta låter forskare kontrollera hur snabbt kameran tar ögonblicksbilder och, på samma gång, minskar en irriterande effekt som kallas timingjitter, som hindrar forskare från att korrekt registrera tidslinjen för hur atomer eller molekyler förändras.

Metoden kan också leda till mindre partikelacceleratorer:Eftersom våglängderna för terahertzstrålning är ungefär hundra gånger mindre än radiovågornas, instrument som använder terahertzstrålning skulle kunna vara mer kompakta.

Forskarna publicerade resultaten i Fysiska granskningsbrev den 4 februari.

En fartkamera

SLAC:s "elektronkamera, " eller ultrasnabb elektrondiffraktion (MeV-UED) instrument, använder högenergistrålar av elektroner som rör sig nära ljusets hastighet för att ta en serie ögonblicksbilder - i huvudsak en film - av handling mellan och inom molekyler. Detta har använts, till exempel, att spela in en film om hur en ringformad molekyl går sönder när den utsätts för ljus och att studera processer på atomnivå i smältande volfram som kan informera om kärnreaktorkonstruktioner.

Tekniken fungerar genom att skjuta klasar av elektroner mot ett målobjekt och registrera hur elektroner sprids när de interagerar med målets atomer. Elektronknippen definierar elektronkamerans slutarhastighet. Ju kortare klasar, desto snabbare rörelser kan de fånga i en skarp bild.

"Det är som om målet fryser i tid för ett ögonblick, " säger SLACs Emma Snively, som ledde den nya studien.

Av den anledningen, forskare vill få alla elektroner i ett gäng att träffa ett mål så nära samtidigt som möjligt. De gör detta genom att ge elektronerna på baksidan en liten energikick, för att hjälpa dem komma ikapp de som ligger i täten.

Än så länge, forskare har använt radiovågor för att leverera denna energi. Men den nya tekniken som utvecklats av SLAC-teamet vid MeV-UED-anläggningen använder ljus vid terahertz-frekvenser istället.

Varför terahertz?

En viktig fördel med att använda terahertzstrålning ligger i hur experimentet förkortar elektronknippen. I MeV-UED-anläggningen, forskare skjuter en laser mot en kopparelektrod för att slå av elektroner och skapa strålar av elektronknippen. Och tills nyligen, de använde vanligtvis radiovågor för att göra dessa buntar kortare.

Dock, radiovågorna förstärker också varje elektrongrupp till en något annorlunda energi, så individuella grupper varierar i hur snabbt de når sitt mål. Denna tidsvariation kallas jitter, och det minskar forskarnas förmåga att studera snabba processer och exakt tidsstämpla hur ett mål förändras med tiden.

Terahertz-metoden kommer runt detta genom att dela laserstrålen i två. En stråle träffar kopparelektroden och skapar elektronknippen som tidigare, och den andra genererar terahertzstrålningspulserna för att förkorta elektronknippen. Eftersom de producerades av samma laserstråle, elektronknippen och terahertzpulser är nu synkroniserade med varandra, minskar timing jitter mellan klasar.

Ner till femtosekunden

En viktig innovation för detta arbete, forskarna säger, skapade en partikelacceleratorhålighet, kallas kompressorn. Denna noggrant bearbetade metallbit är tillräckligt liten för att ligga i handflatan. Inuti enheten, terahertz-pulser förkortar elektronknippen och ger dem en målinriktad och effektiv push.

Som ett resultat, laget kunde komprimera elektronknippen så att de varar bara några tiotals femtosekunder, eller kvadrilliondelar av en sekund. Det är inte så mycket komprimering som konventionella radiofrekvensmetoder kan uppnå nu, men forskarna säger att förmågan att samtidigt sänka jitter gör terahertz-metoden lovande. De mindre kompressorerna som möjliggörs av terahertzmetoden skulle också innebära lägre kostnad jämfört med radiofrekvensteknik.

"Typiska radiofrekvenskompressionsscheman producerar kortare buntar men mycket högt jitter, " säger Mohamed Othman, ytterligare en SLAC-forskare i laget. "Om du producerar ett komprimerat gäng och även minskar jitter, då kommer du att kunna fånga mycket snabba processer som vi aldrig har kunnat observera tidigare."

Så småningom, laget säger, Målet är att komprimera elektronknippen till ungefär en femtosekund. Forskare kunde sedan observera de otroligt snabba tidsskalorna för atomärt beteende i grundläggande kemiska reaktioner som vätebindningar som bryts och individuella protoner som överförs mellan atomer, till exempel, som inte är helt förstådda.

"Samtidigt som vi undersöker fysiken för hur dessa elektronstrålar interagerar med dessa intensiva terahertzvågor, vi bygger också verkligen ett verktyg som andra forskare kan använda omedelbart för att utforska material och molekyler på ett sätt som tidigare inte var möjligt, " säger SLAC:s Emilio Nanni, som ledde projektet med Renkai Li, en annan SLAC-forskare. "Jag tror att det är en av de mest givande aspekterna av den här forskningen."