Ultrakorte uitbarstingen van elektronen hebben verschillende belangrijke toepassingen in wetenschappelijke beeldvorming, maar het produceren ervan vereist doorgaans een kostbare, energieverslindend apparaat ter grootte van een auto.

In het journaal optiek , onderzoekers van het MIT, de Duitse Synchrotron, en de Universiteit van Hamburg in Duitsland beschrijven een nieuwe techniek voor het genereren van elektronenbursts, wat de basis zou kunnen zijn van een apparaat ter grootte van een schoenendoos dat slechts een fractie van de stroom verbruikt als zijn voorgangers.

Ultrakorte elektronenbundels worden gebruikt om direct informatie te verzamelen over materialen die chemische reacties of veranderingen van fysieke toestand ondergaan. Maar nadat hij een deeltjesversneller van een halve mijl lang was afgevuurd, ze worden ook gebruikt om ultrakorte röntgenfoto's te maken.

Vorig jaar, in Natuurcommunicatie , dezelfde groep MIT- en Hamburg-onderzoekers rapporteerde het prototype van een kleine "lineaire versneller" die hetzelfde doel zou kunnen dienen als de veel grotere en duurdere deeltjesversneller. Die technologie, samen met een versie met hogere energie van het nieuwe "elektronenkanon, " kan de beeldkracht van ultrakorte röntgenpulsen naar academische en industriële laboratoria brengen.

Inderdaad, terwijl de elektronuitbarstingen die in het nieuwe artikel worden vermeld een duur hebben die wordt gemeten in honderden femtoseconden, of quadriljoensten van een seconde (dat is ongeveer wat de beste bestaande elektronenkanonnen aankunnen), de aanpak van de onderzoekers heeft het potentieel om hun duur te verlagen tot een enkele femtoseconde. Een elektronenburst van een enkele femtoseconde kan attoseconde röntgenpulsen genereren, die real-time beeldvorming van cellulaire machines in actie mogelijk zou maken.

"We bouwen een hulpmiddel voor de chemici, natuurkundigen, en biologen die röntgenlichtbronnen of de elektronenbundels direct gebruiken om hun onderzoek te doen, " zegt Ronny Huang, een MIT-promovendus in elektrotechniek en eerste auteur van het nieuwe artikel. "Omdat deze elektronenbundels zo kort zijn, ze stellen je in staat om de beweging van elektronen in moleculen een beetje te bevriezen terwijl de moleculen een chemische reactie ondergaan. Een femtoseconde röntgenlichtbron vereist meer hardware, maar het maakt gebruik van elektronenkanonnen."

Vooral, Huang legt uit, met een techniek die elektronendiffractiebeeldvorming wordt genoemd, natuurkundigen en scheikundigen gebruiken ultrakorte uitbarstingen van elektronen om faseveranderingen in materialen te onderzoeken, zoals de overgang van een elektrisch geleidende naar een niet-geleidende toestand, en het ontstaan ​​en oplossen van bindingen tussen moleculen in chemische reacties.

Ultrakorte röntgenpulsen hebben dezelfde voordelen als gewone röntgenstralen:ze dringen dieper door in dikkere materialen. De huidige methode voor het produceren van ultrakorte röntgenstralen omvat het verzenden van elektronensalvo's van een elektronenkanon ter grootte van een auto door een miljard dollar, kilometer lange deeltjesversneller die hun snelheid verhoogt. Vervolgens passeren ze tussen twee rijen magneten - bekend als een "undulator" - die ze omzet in röntgenstralen.

In de vorig jaar gepubliceerde paper - waarvan Huang co-auteur was - de MIT-Hamburg-groep, samen met collega's van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg en de University of Toronto, beschreef een nieuwe benadering voor het versnellen van elektronen die deeltjesversnellers tot tafelbladgrootte zouden kunnen doen krimpen. "Dit zou daar een aanvulling op moeten zijn, "Huang zegt, over de nieuwe studie.

Franz Kartner, die 10 jaar hoogleraar elektrotechniek was aan het MIT voordat hij in 2011 naar het Duitse Synchrotron en de Universiteit van Hamburg verhuisde leidde het project. Kärtner blijft hoofdonderzoeker bij MIT's Research Laboratory of Electronics en is de thesisadviseur van Huang. Hij en Huang worden op de nieuwe paper vergezeld door acht collega's van zowel MIT als Hamburg.

Subgolflengte opsluiting

Het nieuwe elektronenkanon van de onderzoekers is een variatie op een apparaat dat een RF-pistool wordt genoemd. Maar waar het RF-pistool radiofrequentie (RF) straling gebruikt om elektronen te versnellen, het nieuwe apparaat maakt gebruik van terahertz-straling, de band van elektromagnetische straling tussen microgolven en zichtbaar licht.

Het apparaat van de onderzoekers, die ongeveer zo groot is als een luciferdoosje, bestaat uit twee koperen platen die, in hun centra, zijn slechts 75 micrometer van elkaar verwijderd. Elke plaat heeft twee bochten, zodat het lijkt op een driebladige brief die is geopend en op zijn kant is gelegd. De platen buigen in tegengestelde richting, zodat ze het verst uit elkaar liggen - 6 millimeter - aan hun randen.

In het midden van een van de platen bevindt zich een kwartsplaat waarop een film van koper is afgezet die, op zijn dunst, is slechts 30 nanometer dik. Een korte lichtflits van een ultraviolette laser valt op de film op het dunste punt, schokkende losse elektronen, die aan de andere kant van de film worden uitgezonden.

Tegelijkertijd, een uitbarsting van terahertz-straling passeert tussen de platen in een richting loodrecht op die van de laser. Alle elektromagnetische straling kan worden beschouwd als elektrische en magnetische componenten, die loodrecht op elkaar staan. De terahertz-straling is gepolariseerd zodat de elektrische component de elektronen direct naar de tweede plaat versnelt.

De sleutel tot het systeem is dat het taps toelopen van de platen de terahertz-straling beperkt tot een gebied - de opening van 75 micrometer - dat smaller is dan zijn eigen golflengte. "Dat is iets speciaals, "zegt Huang. "Normaal gesproken, in optica, je kunt iets niet beperken tot onder een golflengte. Maar met behulp van deze structuur waren we in staat om. Door het te beperken, neemt de energiedichtheid toe, waardoor het acceleratievermogen toeneemt."

Door dat toegenomen acceleratievermogen, het apparaat kan het doen met terahertz-stralen waarvan het vermogen veel lager is dan dat van de radiofrequentiestralen die in een typisch RF-pistool worden gebruikt. Bovendien, dezelfde laser kan zowel de ultraviolette straal genereren als, met een paar extra optische componenten, de terahertz-straal.

Volgens James Rosenzweig, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Californië in Los Angeles, dat is een van de aantrekkelijkste aspecten van het systeem van de onderzoekers. "Een van de grootste problemen die je hebt met ultrasnelle bronnen zoals deze, is timing-jitter tussen, zeggen, het laser- en versnellingsveld, die allerlei systematische effecten produceert die het moeilijker maken om in de tijd opgeloste elektronendiffractie uit te voeren, ' zegt Rosezweig.

"In het geval van het apparaat van Kärtner, de laser produceert de terahertz en produceert ook de foto-elektronen, dus de jitter wordt sterk onderdrukt. Je zou pomp-sonde experimenten kunnen doen waarbij de laser de driver is en de elektronen de sonde. en ze zouden meer succes hebben dan wat je nu hebt. En natuurlijk zou het een zeer klein en bescheiden apparaat zijn. Dus wat dat scenario betreft, kan het heel belangrijk blijken te zijn."