Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har för första gången lyckats titta inuti material med metoden för transient gitterspektroskopi med ultrasnabb röntgenstrålning vid SwissFEL. Experimentet vid PSI är en milstolpe i att observera processer i atomernas värld. Forskarna publicerar idag sina forskningsresultat i tidskriften Naturfotonik .

Strukturerna på mikrochips blir allt mindre; hårddiskar skriver hela uppslagsverk på magnetiska skivor lika stora som en fingernagel. Många tekniker bryter för närvarande igenom gränserna för klassisk fysik. Men i nanovärlden, andra lagar gäller – kvantfysikens. Och det finns fortfarande många obesvarade frågor:Hur går egentligen värme genom ett halvledarmaterial på nanoskala? Vad exakt händer när enskilda bitar magnetiseras i en dators hårddisk, och hur snabbt kan vi skriva? Det finns fortfarande inga svar på dessa och många fler frågor, främst för att nuvarande experimentella tekniker inte kan titta tillräckligt djupt och exakt i materialen och för att vissa processer sker alldeles för snabbt för konventionella experimentella metoder. Men om vi vill driva vidare med teknisk miniatyrisering, vi måste förstå sådana fenomen på atomnivå

Blandningen av metoder gör skillnaden

Ny drivkraft sätts nu i frågan tack vare en ny metod som tagits fram av PSI-forskaren Cristian Svetina, tillsammans med Jeremy Rouxel och Majed Chergui på EPFL i Lausanne, Keith Nelson vid MIT i USA, Claudio Masciovecchio på Fermi FEL i Italien, och andra internationella partners. "Metoden är faktiskt inte ny, fastän, och det har använts i decennier i den optiska regimen med exceptionella resultat, säger Svetina, som just nu sätter upp den nya experimentstationen Furka på SwissFEL-strållinjen Athos vid PSI. Vad är speciellt, han säger, är kombinationen och utvidgningen av kända metoder från olinjär laserfysik, men med röntgenljus från den nya röntgenfrielektronlasern SwissFEL. Denna kombination är både ny och överraskande. Flera försök har gjorts tidigare av många grupper runt om i världen men utan framgång. Det har till och med ifrågasatts om sådana nya experiment överhuvudtaget med framgång skulle kunna genomföras vid röntgenstrålningens höga energier. Teamet på PSI har bevisat:Ja, det kan göras.

I dess kärna, detta är en metod som kallas transient gitterspektroskopi. Spektroskopi är en beprövad uppsättning metoder som används av fysiker för att få information om ett material, såsom de kemiska grundämnen och föreningar den består av, dess magnetiska egenskaper, och hur atomer rör sig inom den. I den speciella variant som kallas transient gitterspektroskopi, provet bombarderas med två laserstrålar som skapar ett interferensmönster. En tredje laserstråle diffrakteras vid detta mönster, skapa en fjärde stråle som innehåller informationen om provets egenskaper.

Tittar under ytan

Termen laser används alltid för att beskriva ljus i det synliga eller infraröda området av våglängdsspektrumet. Därför kan lasrar bara titta inuti ett prov med en upplösning begränsad till hundratals nanometer. För att gå utöver detta, Röntgen behövs. Forskare vid PSI har nu för första gången lyckats göra transient gitterspektroskopi tillgänglig för en röntgenlaser, använder mycket hårda röntgenstrålar med en energi på 7,1 kiloelektronvolt, vilket motsvarar en våglängd på 0,17 nanometer, eller ungefär diametern av medelstora atomer. Fördelen:För första gången det är möjligt att titta inuti material med en upplösning ner till enskilda atomer såväl som med ultrakorta exponeringstider av bråkdelar av femtosekunder (en miljondels miljarddels sekund), som till och med tillåter att videor av atomära processer spelas in. Dessutom, metoden är elementselektiv, vilket innebär att man selektivt kan mäta specifika kemiska grundämnen i en blandning av ämnen. Metoden kompletterar väl etablerade tekniker som oelastisk neutron- och röntgenspridning, lägger till bättre upplösning när det gäller både tid och energi.

I praktiken, experimentuppställningen ser ut så här:SwissFEL skickar en stråle med en diameter på 0,2 millimeter, som består av ultrakorta röntgenpulser, på ett transmissionsfasgitter tillverkat av diamant, som ser ut som en fin kam under mikroskopet. Diamant används eftersom den inte förstörs ens av högenergiröntgenstrålar. Den gjordes speciellt för detta experiment av Christian David från Laboratory for Micro and Nanotechnology vid PSI. Avståndet mellan kammens tänder är två mikrometer, men detta kan gå ner till nanometer om det behövs. De bryter röntgenstrålen till fina delstrålar som överlappar bakom gittret, sålunda skapas det transienta gitterdiffraktionsmönstret. Bakom gallret, en-till-en-bilder av gallret kan observeras, upprepas med jämna mellanrum — så kallade Talbot-plan. Om du placerar ett prov i ett av dessa plan, vissa atomer i den blir exciterade, precis som om den satt på platsen för gallret. Endast atomerna som "ser" röntgenstrålningen i denna periodiska modulering är exciterade, medan grannarna som inte upplever bestrålningen förblir i marken. Detta är metodens främsta attraktion, eftersom det gör det möjligt för forskare att selektivt excitera karaktäristiska intresseområden.

Kamera med blixt

Enbart excitation av atomerna, dock, lämnar ingen information. För detta, det behövs en sorts kamera med blixt för att kort exponera provet. Vid transient gitterspektroskopi, detta görs med en laser som riktar in provet i en vinkel och tar bilder med minimal tidsfördröjning till röntgenstrålen från SwissFEL. Informationen kommer ut från baksidan av provet och träffar en detektor som registrerar bilden. Inledande experiment har visat en fördel med metoden:Den producerar ingen oönskad bakgrundssignal. "Om atomerna är upphetsade, du ser en signal; om de inte är upphetsade, du ser ingenting, ", förklarar Svetina. Detta är extremt värdefullt när man mäter prover som bara avger svaga signaler och som inte kan ses med andra tekniker där en bakgrund skymmer signalen.

Att Cristian Svetina och hans team har lyckats göra det som andra forskare inte har gjort beror på huvudpersonernas kreativitet och tålamod. "Vi gick steg för steg och ville inte prova allt på en gång, " säger fysikern. För fem år sedan började forskarna experimentera på FERMI FEL med optiskt ljus och utökade det till extremt ultraviolett ljus innan de gick vidare till röntgenstrålar vid PSI. Här, istället för att undersöka "riktiga" prover direkt, de använde guldfolier för att testa om energin var tillräcklig för att excitera atomer. De lyckades bränna in gallermönstret från ett Talbot-plan i folien. Svetina:"Det var då vi visste:Om vi ​​ens kan skriva ut strukturer, vi kan excitera atomer med lägre intensitet." Med detta var vägen klar för det nu framgångsrika experimentet. Med hjälp av ett prov av vismutgermanat, forskarna kunde visa att metoden uppfyllde alla deras förhoppningar när det gäller rumslig och tidsmässig upplösning, mäthastighet, och elementselektivitet.

Nästa mål:allt med röntgen

Dock, forskarna har ännu inte tagit det sista steget. Än så länge, endast strålen som exciterar provet är en röntgenstråle. Kamerans blixt kommer fortfarande från en laser, så det är synligt ljus. Toppen skulle nås om det också var en röntgenstråle. Svetina:"Vi vill ta det här sista steget under året." Och de har ytterligare stöd:SLAC:s LCLS och PULSE Institute, båda på Stanford i Kalifornien, RIKEN SPring-8-centret i Japan, och DESYs FLASH i Tyskland har anslutit sig till samarbetsteamet.

Forskarna publicerar sina resultat i dag i tidskriften Naturfotonik .