Forskare vid DESY har byggt en kompakt elektronkamera som kan fånga det inre, materias ultrasnabba dynamik. Systemet skjuter korta klasar av elektroner mot ett prov för att ta ögonblicksbilder av dess nuvarande inre struktur. Det är den första sådana elektrondiffraktometer som använder Terahertz-strålning för pulskompression. Utvecklarteamet kring DESY-forskarna Dongfang Zhang och Franz Kärtner från Center for Free-Electron Laser Science CFEL validerade sin Terahertz-förbättrade ultrasnabba elektrondiffraktometer med undersökningen av ett kiselprov och presenterar sitt arbete i det första numret av tidskriften Ultrasnabb vetenskap , en ny titel i Vetenskap grupp av vetenskapliga tidskrifter.

Elektrondiffraktion är ett sätt att undersöka materiens inre struktur. Dock, det avbildar inte strukturen direkt. Istället, när elektronerna träffar eller passerar ett fast prov, de avböjs på ett systematiskt sätt av elektronerna i den fasta substansens inre gitter. Från mönstret för denna diffraktion, inspelad på en detektor, den inre gitterstrukturen hos det fasta ämnet kan beräknas. För att upptäcka dynamiska förändringar i denna inre struktur, korta knippen av tillräckligt ljusa elektroner måste användas. "Ju kortare gäng, ju snabbare exponeringstiden, säger Zhang, som nu är professor vid Shanghai Jiao Tong University. "Vanligtvis, ultrasnabb elektrondiffraktion (UED) använder buntlängder, eller exponeringstider, av cirka 100 femtosekunder, vilket är 0,1 biljondelar av en sekund."

Sådana korta elektronknippen kan rutinmässigt produceras med hög kvalitet med hjälp av partikelacceleratorer av den senaste tekniken. Dock, dessa maskiner är ofta stora och skrymmande, delvis på grund av radiofrekvent strålning som används för att driva dem, som verkar i Gigahertz-bandet. Våglängden på strålningen anger storleken för hela enheten. DESY-teamet använder nu Terahertz-strålning istället med ungefär hundra gånger kortare våglängder. "Detta betyder i grunden, acceleratorns komponenter, här en massa kompressor, kan vara hundra gånger mindre, för, " förklarar Kärtner, som också är professor och medlem i klustret av excellens "CUI:Advanced Imaging of Matter" vid universitetet i Hamburg.

För deras proof-of-principe-studie, forskarna sköt gäng med ungefär 10, 000 elektroner vardera vid en kiselkristall som värmdes upp av en kort laserpuls. Klasarna var cirka 180 femtosekunder långa och visar tydligt hur kristallgittret i kiselprovet snabbt expanderar inom en pikosekund (biljondelar av en sekund) efter att lasern träffat kristallen. "Kislets beteende under dessa omständigheter är mycket välkänt, och våra mått motsvarar förväntningarna perfekt, validerar vår Terahertz-enhet, " säger Zhang. Han uppskattar att i en optimerad uppställning, elektronknippen kan komprimeras till betydligt mindre än 100 femtosekunder, möjliggör ännu snabbare ögonblicksbilder.

Utöver sin reducerade storlek, Terahertz elektrondiffraktometer har en annan fördel som kan vara ännu viktigare för forskare:"Vårt system är perfekt synkroniserat, eftersom vi bara använder en laser för alla steg:Generera, manipulera, mäta och komprimera elektronknippen, producera Terahertz-strålningen och till och med värma provet, "Kärtner förklarar. Synkronisering är nyckeln i den här typen av ultrasnabba experiment. För att övervaka de snabba strukturella förändringarna inom ett prov av materia som kisel, forskare brukar upprepa experimentet många gånger samtidigt som de fördröjer mätpulsen lite mer varje gång. Ju mer exakt denna fördröjning kan justeras, desto bättre resultat. Vanligtvis, det måste finnas någon form av synkronisering mellan den spännande laserpulsen som startar experimentet och mätpulsen, i detta fall elektrongruppen. Om båda, starten av experimentet och elektrongruppen och dess manipulation utlöses av samma laser, synkroniseringen är inneboende given.

I ett nästa steg, forskarna planerar att öka energin hos elektronerna. Högre energi betyder att elektronerna kan penetrera tjockare prover. Prototypuppsättningen använde ganska lågenergielektroner och kiselprovet måste skäras ner till en tjocklek av bara 35 nanometer (miljondelar av en millimeter). Att lägga till ytterligare ett accelerationssteg kan ge elektronerna tillräckligt med energi för att penetrera 30 gånger tjockare prover med en tjocklek på upp till 1 mikrometer (tusendels millimeter), som forskarna förklarar. För ännu tjockare prover, Röntgenstrålar används normalt. Även om röntgendiffraktion är en väletablerad och mycket framgångsrik teknik, elektroner skadar vanligtvis inte provet lika snabbt som röntgenstrålar. "Den avsatta energin är mycket lägre när man använder elektroner, " förklarar Zhang. Detta kan visa sig vara användbart när man undersöker ömtåliga material.

Detta arbete har stötts av Europeiska forskningsrådet under Europeiska unionens sjunde ramprogram (FP7/2007-2013) genom Synergy Grant AXSIS (609920), Projekt KA908-12/1 av Deutsche Forschungsgemeinschaft, och acceleratorn på ett chipprogram (ACHIP) finansierat av Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF4744).