Иллюстрация: Dongfang Zhang et al. / Ultrafast Science, 2021. Физики создали электронный дифрактометр, в котором пучки электронов формируются с помощью терагерцового излучения. Такой подход позволил уменьшить размер и увеличить временное разрешение дифрактометра — «камеры» для предельно динамического изучения внутренней структуры материи. За счет терагерцового лазера ученые уменьшили длительность пучков электронов из обычной электронной пушки до 180 фемтосекунд, при этом сохранив по 10000 электронов в каждом пучке. Как пишут авторы статьи, опубликованной в журнале Ultrafast Science, проверенный ими метод позволит сделать более доступными установки для изучения динамики структур на атомных масштабах. Для наблюдения за микроскопической структурой материалов нужно коротковолновое излучение: обычный свет просто не заметит дефекты и особенности структуры с периодом порядка размера атома, ведь его длина волны сильно больше. Часто для таких целей используют особенно жесткое рентгеновское излучение, ведь и его длина волны, и проникающая способности это позволяют.

Но и у такого подхода есть свои ограничения: многие материалы под воздействием жестких рентгеновских лучей слишком быстро разрушаются, а получение особо коротких рентгеновских импульсов — непростая задача. Но именно продолжительность импульса излучения определяет временное разрешение, с которым эти импульсы можно будет исследовать для изучения динамических процессов.

Однако просвечивать исследуемые объекты можно не только излучением, но и частицами. В этих целях активно используют нейтроны и электроны: если наблюдать за тем, как частицы отражаются от того или иного материала, то можно многое узнать о его структуре. Особенно этот метод эффективен в изучении кристаллов, ведь кристаллическая решетка периодична, а значит отраженные от разных ее слоев частицы будут дифрагировать, следуя своей волновой природе. Дифракционную картину в таких исследованиях фиксируют с помощью дифрактометров, одной из ключевых характеристик которых также является временное разрешение: определяется оно продолжительностью (или же длиной) пучков частиц, летящих на исследуемый объект.

В случае дифрактометра на быстрых электронах особенно сложно добиться высокого временного разрешения: заряженные электроны отталкиваются друг от друга, из-за чего для их сжатия в короткий пучок приходится либо жертвовать их числом в таком пучке, либо увеличивать их энергию, либо использовать радиочастотные резонаторы. Однако уменьшение числа электронов в пучке приводит к менее четкой дифракционной картине, а другие методы кардинально увеличивают сложность, стоимость и размеры установки.

Для решения этой проблемы Дунфан Чжан и его коллеги из Центра науки о лазерах на свободных электронах в DESY использовали терагерцовое излучение. Его длина волны на порядки меньше, чем у радиоизлучения, а значит размер и стоимость используемых для его генерации устройств также сокращается на порядки. Источником электронов в созданном учеными дифрактометре была обычная электронная пушка на постоянном токе с конечной энергией электронов в 53 килоэлектронвольт. Источником излучения для всех целей установки был единственный лазер, производящий импульсы длительностью 650 фемтосекунд на длине волны в 1030 нанометров с частотой в 1 килогерц. Эти импульсы преобразовывались в ультрафиолетовое излучение для фотоэмиссии в электронной пушке, в терагерцовые импульсы для волновода, который использовали для дополнительного сжатия электронных пучков, а также для импульсов излучения в оптическом диапазоне для возбуждения исследуемого образца. Такая особенность установки устранила необходимость синхронизации всех ее элементов, которая иначе бы увеличивала временное разрешение.

Схема установки. Dongfang Zhang et al. / Ultrafast Science, 2021

В результате ученые получили источник пучков электронов продолжительностью всего 180 фемтосекунд и частотой в 1 килогерц. При этом в каждом пучке находилось порядка 10000 электронов, чего достаточно для наблюдения четкой дифракционной картины при использовании такого пучка в дифрактометре. Физики подтвердили это, исследовав с помощью своей установки образец кристалла кремния толщиной в 35 нанометров. Дифракционная картина невозбужденного образца, собранная в течение 1 секунды, показала хорошо различимые дифракционные пики, а зависимость относительного изменения интенсивности этих пиков при возбуждении образца показала ожидаемую экспоненциальную зависимость от времени.

(а) дифракционная картина рассеяния электронов на кристалле кремния толщиной 35 нанометров, снятая с выдержкой в 1 секунду; (b) зависимость относительного изменения интенсивности дифракционных пиков от времени при возбуждении образца. Dongfang Zhang et al. / Ultrafast Science, 2021

По мнению исследователей, их результаты подтверждают возможность использования электронных дифрактометров на основе терагерцового излучения для создания более компактных и доступных установок для изучения структурной динамики. Кроме того, ученые говорят о способах улучшения созданной ими установки, которые позволят уменьшить продолжительность импульсов до 30 фемтосекунд и увеличить энергию электронов до 0,5 мегаэлектронвольт для увеличения их проникающей способности, а значит и максимальной возможной толщины исследуемого образца.

Создание дифрактометров со столь высоким временным разрешением позволит изучать особо быстрые процессы на микроскопическом масштабе в очень широком диапазоне материалов. Пока что такие исследования ограничены в возможностях, но уже дают интересные результаты. К примеру, мы рассказывали о том, как физики засняли ударное рождение алмаза с помощью рентгеновского дифрактометра.

Автор: Никита Козырев
Источник: https://nplus1.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!