Onderzoekers van het Paul Scherrer Institute PSI zijn er voor het eerst in geslaagd om in materialen te kijken met behulp van de methode van transiënte roosterspectroscopie met ultrasnelle röntgenstralen bij SwissFEL. Het experiment bij PSI is een mijlpaal in het observeren van processen in de wereld van atomen. De onderzoekers publiceren vandaag hun onderzoeksresultaten in het tijdschrift Natuurfotonica .

De structuren op microchips worden steeds kleiner; harde schijven schrijven hele encyclopedieën op magnetische schijven ter grootte van een vingernagel. Veel technologieën doorbreken momenteel de grenzen van de klassieke natuurkunde. Maar in de nanowereld andere wetten zijn van toepassing - die van de kwantumfysica. En er zijn nog veel onbeantwoorde vragen:hoe reist warmte eigenlijk door een halfgeleidermateriaal op nanoschaal? Wat gebeurt er precies als individuele bits worden gemagnetiseerd in de harde schijf van een computer, en hoe snel kunnen we schrijven? Op deze en nog veel meer vragen zijn nog steeds geen antwoorden, vooral omdat de huidige experimentele technieken niet diep en precies genoeg in de materialen kunnen kijken en omdat sommige processen veel te snel verlopen voor conventionele experimentele methoden. Maar als we door willen gaan met technische miniaturisering, we moeten dergelijke verschijnselen op atomair niveau begrijpen

De mix van methoden maakt het verschil

Dankzij een nieuwe methode van PSI-onderzoeker Cristian Svetina krijgt de zaak nu een nieuwe impuls. samen met Jeremy Rouxel en Majed Chergui bij EPFL in Lausanne, Keith Nelson aan het MIT in de VS, Claudio Masciovecchio bij Fermi FEL in Italië, en andere internationale partners. “De methode is eigenlijk niet nieuw, Hoewel, en het wordt al tientallen jaren gebruikt in het optische regime met uitzonderlijke resultaten, " zegt Svetina, die momenteel het nieuwe Furka-experimentstation opzet op de SwissFEL-bundellijn Athos bij PSI. Wat is speciaal, hij zegt, is de combinatie en uitbreiding van bekende methoden uit de niet-lineaire laserfysica, maar met behulp van röntgenlicht van de nieuwe röntgenvrije-elektronenlaser SwissFEL. Deze combinatie is zowel nieuw als verrassend. Er zijn in het verleden verschillende pogingen ondernomen door vele groepen over de hele wereld, maar zonder succes. Het is zelfs de vraag of dergelijke nieuwe experimenten überhaupt met succes zouden kunnen worden uitgevoerd bij de hoge energieën van röntgenstralen. Het team van PSI heeft bewezen:Ja, het kan gedaan worden.

In de kern, dit is een methode die transiënte roosterspectroscopie wordt genoemd. Spectroscopie is een beproefde reeks methoden die door natuurkundigen worden gebruikt om informatie te verkrijgen over een materiaal, zoals de chemische elementen en verbindingen waaruit het bestaat, zijn magnetische eigenschappen, en hoe atomen erin bewegen. In de specifieke variant die transiënte roosterspectroscopie wordt genoemd, het monster wordt gebombardeerd met twee laserstralen die een interferentiepatroon creëren. Een derde laserstraal wordt afgebogen in dit patroon, het creëren van een vierde balk die de informatie over de eigenschappen van het monster bevat.

Onder de oppervlakte kijken

De term laser wordt altijd gebruikt om licht in het zichtbare of infrarode bereik van het golflengtespectrum te beschrijven. Daarom kunnen lasers alleen in een monster kijken met een resolutie die beperkt is tot honderden nanometers. Om verder te gaan, Er zijn röntgenfoto's nodig. Onderzoekers van PSI zijn er nu voor het eerst in geslaagd om transiënte roosterspectroscopie toegankelijk te maken voor een röntgenlaser, met behulp van zeer harde röntgenstralen met een energie van 7,1 kiloelektronvolt, wat overeenkomt met een golflengte van 0,17 nanometer, of ongeveer de diameter van middelgrote atomen. Het voordeel:voor de eerste keer, het is mogelijk om in materialen te kijken met een resolutie tot op individuele atomen en met ultrakorte belichtingstijden van fracties van femtoseconden (een miljoenste van een miljardste van een seconde), waarmee zelfs video's van atomaire processen kunnen worden opgenomen. In aanvulling, de methode is elementselectief, wat betekent dat men selectief bepaalde chemische elementen in een mengsel van stoffen kan meten. De methode is een aanvulling op gevestigde technieken zoals inelastische neutronen- en röntgenverstrooiing, het toevoegen van een betere resolutie in termen van zowel tijd als energie.

In praktijk, de experimentele opstelling ziet er als volgt uit:SwissFEL zendt een straal uit met een diameter van 0,2 millimeter, bestaande uit ultrakorte röntgenpulsen, op een transmissiefaseraster gemaakt van diamant, die er onder de microscoop uitziet als een fijne kam. Diamant wordt gebruikt omdat het zelfs door hoogenergetische röntgenstralen niet wordt vernietigd. Het is speciaal voor dit experiment gemaakt door Christian David van het Laboratorium voor Micro- en Nanotechnologie bij PSI. De afstand tussen de tanden van de kam is twee micrometer, maar dit kan indien nodig tot nanometers dalen. Ze breken de röntgenbundel op in fijne deelbundels die elkaar achter het rooster overlappen, waardoor het transiënte roosterdiffractiepatroon wordt gecreëerd. Achter het rooster, één-op-één beelden van het rooster kunnen worden bekeken, met regelmatige tussenpozen herhaald - zogenaamde Talbot-vliegtuigen. Als u een monster in een van deze vlakken plaatst, sommige atomen erin worden opgewonden, net alsof het op de plaats van het rooster zat. Alleen de atomen die de röntgenstralen 'zien' in deze periodieke modulatie worden geëxciteerd, terwijl de buren die de bestraling niet ervaren in de grondtoestand blijven. Dit is de belangrijkste attractie van de methode, omdat het onderzoekers in staat stelt selectief karakteristieke interessegebieden te prikkelen.

Camera met flits

Excitatie van de atomen alleen, echter, geeft geen informatie. Voor deze, er is een soort camera met flits nodig om het monster kort te belichten. Bij transiënte roosterspectroscopie, dit wordt gedaan door een laser die het monster onder een hoek richt en met een minimale vertraging beelden schiet naar de röntgenstraal van SwissFEL. De informatie komt uit de achterkant van het monster en raakt een detector die het beeld opneemt. Eerste experimenten hebben één voordeel van de methode aangetoond:het produceert geen ongewenst achtergrondsignaal. "Als de atomen opgewonden zijn, je ziet een signaal; als ze niet opgewonden zijn, je ziet niets, " legt Svetina uit. Dit is uiterst waardevol bij het meten van monsters die alleen zwakke signalen uitzenden en die niet kunnen worden gezien met andere technieken waarbij een achtergrond het signaal verduistert.

Het feit dat Cristian Svetina en zijn team erin zijn geslaagd te doen wat andere onderzoekers niet hebben gedaan, is te danken aan de creativiteit en het geduld van de hoofdrolspelers. "We gingen stap voor stap te werk en wilden niet alles tegelijk proberen, ", zegt de natuurkundige. Vijf jaar geleden begonnen de onderzoekers bij FERMI FEL te experimenteren met optisch licht en breidden dit uit tot extreem ultraviolet licht voordat ze verder gingen met röntgenstraling bij PSI. Hier, in plaats van meteen "echte" monsters te onderzoeken, ze gebruikten goudfolie om te testen of de energie voldoende was om atomen te prikkelen. Ze slaagden erin het roosterpatroon van een Talbot-vliegtuig in de folie te branden. Svetina:"Toen wisten we:als we structuren kunnen printen, we kunnen atomen met een lagere intensiteit aanslaan." Hiermee was de weg vrij voor het nu succesvolle experiment. Met behulp van een monster van bismutgermanaat, de onderzoekers konden aantonen dat de methode al hun verwachtingen vervulde op het gebied van ruimtelijke en temporele resolutie, meetsnelheid, en elementselectiviteit.

Volgende doel:alles met röntgenstralen

Echter, de onderzoekers hebben de laatste stap nog niet gezet. Tot dusver, alleen de bundel die het monster exciteert is een röntgenbundel. De flits van de camera komt nog steeds van een laser, dus het is zichtbaar licht. Het hoogtepunt zou worden bereikt als ook dat een röntgenstraal was. Svetina:"Deze laatste stap willen we in de loop van het jaar zetten." En ze hebben extra ondersteuning:SLAC's LCLS en het PULSE Institute, beide in Stanford in Californië, het RIKEN SPring-8 centrum in Japan, en DESY's FLASH in Duitsland hebben zich aangesloten bij het samenwerkingsteam.

De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag in het tijdschrift Natuurfotonica .