Onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben een veelbelovende nieuwe vooruitgang geboekt voor de snelle "elektronencamera" van het laboratorium waarmee ze kleine, ultrasnelle bewegingen van protonen en elektronen in chemische reacties die nog nooit eerder zijn waargenomen. Dergelijke 'films' zouden wetenschappers uiteindelijk kunnen helpen bij het ontwerpen van efficiëntere chemische processen, materialen van de volgende generatie uitvinden met nieuwe eigenschappen, medicijnen ontwikkelen om ziekten te bestrijden en meer.

De nieuwe techniek maakt gebruik van een vorm van licht genaamd terahertzstraling, in plaats van de gebruikelijke radiofrequente straling, om de elektronenbundels te manipuleren die het instrument gebruikt. Hierdoor kunnen onderzoekers bepalen hoe snel de camera snapshots maakt en, tegelijkertijd, vermindert een vervelend effect dat timingjitter wordt genoemd, waardoor onderzoekers niet nauwkeurig de tijdlijn kunnen vastleggen van hoe atomen of moleculen veranderen.

De methode kan ook leiden tot kleinere deeltjesversnellers:omdat de golflengten van terahertz-straling ongeveer honderd keer kleiner zijn dan die van radiogolven, instrumenten die terahertz-straling gebruiken, kunnen compacter zijn.

De onderzoekers publiceerden de bevindingen in Fysieke beoordelingsbrieven op 4 februari.

Een snelle camera

SLAC's "elektronencamera, " of ultrasnelle elektronendiffractie (MeV-UED) instrument, gebruikt hoogenergetische bundels van elektronen die met de snelheid van het licht reizen om een ​​reeks snapshots - in wezen een film - te maken van actie tussen en binnen moleculen. Dit is gebruikt, bijvoorbeeld, om een ​​film te maken van hoe een ringvormig molecuul breekt wanneer het wordt blootgesteld aan licht en om processen op atoomniveau in het smelten van wolfraam te bestuderen die het ontwerp van kernreactoren zouden kunnen informeren.

De techniek werkt door bundels elektronen op een doelobject te schieten en vast te leggen hoe elektronen verstrooien wanneer ze interageren met de atomen van het doelwit. De elektronenbundels bepalen de sluitertijd van de elektronencamera. Hoe korter de trossen, hoe sneller de bewegingen die ze kunnen vastleggen in een helder beeld.

"Het is alsof het doelwit even stilstaat in de tijd, " zegt Emma Snively van SLAC, die de nieuwe studie leidde.

Om die reden, wetenschappers willen ervoor zorgen dat alle elektronen in een bundel een doelwit zo dicht mogelijk gelijktijdig raken. Dit doen ze door de elektronen aan de achterkant een beetje energie te geven, om hen te helpen de koplopers in te halen.

Tot dusver, onderzoekers hebben radiogolven gebruikt om deze energie te leveren. Maar de nieuwe techniek die is ontwikkeld door het SLAC-team van de MeV-UED-faciliteit, gebruikt in plaats daarvan licht op terahertz-frequenties.

Waarom terahertz?

Een belangrijk voordeel van het gebruik van terahertz-straling ligt in de manier waarop het experiment de elektronenbundels verkort. In de MeV-UED-faciliteit, wetenschappers schieten een laser op een koperelektrode om elektronen af ​​te slaan en bundels elektronenbundels te creëren. En tot voor kort, ze gebruikten meestal radiogolven om deze trossen korter te maken.

Echter, de radiogolven stimuleren ook elke elektronenbundel tot een iets andere energie, dus individuele trossen variëren in hoe snel ze hun doel bereiken. Deze timingvariantie wordt jitter genoemd, en het vermindert het vermogen van onderzoekers om snelle processen te bestuderen en nauwkeurig in te schatten hoe een doelwit in de loop van de tijd verandert.

De terahertz-methode lost dit op door de laserstraal in tweeën te splitsen. Eén straal raakt de koperelektrode en creëert net als voorheen elektronenbundels, en de andere genereert de terahertz-stralingspulsen voor het verkorten van de elektronenbundels. Omdat ze werden geproduceerd door dezelfde laserstraal, elektronenbundels en terahertz-pulsen zijn nu met elkaar gesynchroniseerd, het verminderen van de timing jitter tussen trossen.

Tot op de femtoseconde

Een belangrijke innovatie voor dit werk, zeggen de onderzoekers, was het creëren van een deeltjesversneller holte, de compressor genoemd. Dit zorgvuldig bewerkte stuk metaal is klein genoeg om in de palm van een hand te passen. Binnen in het apparaat, terahertz-pulsen verkorten elektronenbundels en geven ze een gerichte en effectieve duw.

Als resultaat, het team zou elektronenbundels kunnen comprimeren zodat ze slechts enkele tientallen femtoseconden meegaan, of quadriljoensten van een seconde. Dat is niet zoveel compressie als conventionele radiofrequentiemethoden nu kunnen bereiken, maar de onderzoekers zeggen dat het vermogen om tegelijkertijd jitter te verlagen de terahertz-methode veelbelovend maakt. De kleinere compressoren die mogelijk worden gemaakt door de terahertz-methode zouden ook lagere kosten betekenen in vergelijking met radiofrequentietechnologie.

"Typische radiofrequentiecompressieschema's produceren kortere bundels maar zeer hoge jitter, " zegt Mohamed Othman, een andere SLAC-onderzoeker in het team. "Als je een gecomprimeerde bos produceert en ook de jitter vermindert, dan zul je in staat zijn om zeer snelle processen te vangen die we nooit eerder hebben kunnen observeren."

Eventueel, het team zegt, het doel is om elektronenbundels te comprimeren tot ongeveer een femtoseconde. Wetenschappers konden dan de ongelooflijk snelle tijdschalen van atomair gedrag observeren in fundamentele chemische reacties zoals het verbreken van waterstofbruggen en individuele protonen die tussen atomen worden overgedragen, bijvoorbeeld, die niet helemaal begrepen worden.

"Tegelijkertijd onderzoeken we de fysica van hoe deze elektronenbundels interageren met deze intense terahertz-golven, we bouwen ook echt een tool die andere wetenschappers onmiddellijk kunnen gebruiken om materialen en moleculen te onderzoeken op een manier die voorheen niet mogelijk was, " zegt Emilio Nanni van SLAC, die het project leidde met Renkai Li, een andere SLAC-onderzoeker. "Ik denk dat dat een van de meest lonende aspecten van dit onderzoek is."