Wetenschappers van DESY hebben een compacte elektronencamera gebouwd die de innerlijke, ultrasnelle dynamiek van materie. Het systeem schiet korte bundels elektronen op een monster om snapshots te maken van de huidige innerlijke structuur. Het is de eerste dergelijke elektronendiffractometer die Terahertz-straling gebruikt voor pulscompressie. Het ontwikkelteam rond DESY-wetenschappers Dongfang Zhang en Franz Kärtner van het Center for Free-Electron Laser Science CFEL valideerde hun Terahertz-versterkte ultrasnelle elektronendiffractometer met het onderzoek van een siliciummonster en presenteert hun werk in het eerste nummer van het tijdschrift Ultrasnelle wetenschap , een nieuwe titel in de Wetenschap groep wetenschappelijke tijdschriften.

Elektronendiffractie is een manier om de innerlijke structuur van materie te onderzoeken. Echter, het beeldt de structuur niet direct af. In plaats daarvan, wanneer de elektronen een vast monster raken of doorkruisen, ze worden op een systematische manier afgebogen door de elektronen in het binnenrooster van de vaste stof. Uit het patroon van deze diffractie, geregistreerd op een detector, de interne roosterstructuur van de vaste stof kan worden berekend. Om dynamische veranderingen in deze innerlijke structuur te detecteren, er moeten korte bundels voldoende heldere elektronen worden gebruikt. "Hoe korter het stel, hoe sneller de belichtingstijd, " zegt Zhang, die nu professor is aan de Shanghai Jiao Tong University. "Typisch, ultrasnelle elektronendiffractie (UED) maakt gebruik van boslengtes, of belichtingstijden, van ongeveer 100 femtoseconden, dat is 0,1 biljoenste van een seconde."

Dergelijke korte elektronenbundels kunnen routinematig met hoge kwaliteit worden geproduceerd door ultramoderne deeltjesversnellers. Echter, deze machines zijn vaak groot en omvangrijk, deels vanwege de radiofrequentiestraling die wordt gebruikt om ze van stroom te voorzien, die opereert in de Gigahertz-band. De golflengte van de straling bepaalt de grootte voor het hele apparaat. Het DESY-team gebruikt nu Terahertz-straling met ongeveer honderd keer kortere golflengten. "Dit betekent in feite de acceleratiecomponenten, hier een boscompressor, kan honderd keer kleiner zijn, te, " legt Kärtner uit, die ook een professor is en lid is van het cluster van excellentie "CUI:Advanced Imaging of Matter" aan de Universiteit van Hamburg.

Voor hun proof-of-principle studie, de wetenschappers vuurden trossen af ​​met ongeveer 10, 000 elektronen elk op een siliciumkristal dat werd verwarmd door een korte laserpuls. De bundels waren ongeveer 180 femtoseconden lang en laten duidelijk zien hoe het kristalrooster van het siliciummonster snel uitzet binnen een picoseconde (biljoensten van een seconde) nadat de laser het kristal raakt. "Het gedrag van silicium onder deze omstandigheden is zeer goed bekend, en onze metingen passen perfect bij de verwachting, valideren van ons Terahertz-apparaat, ", zegt Zhang. Hij schat dat in een geoptimaliseerde opstelling, de elektronenbundels kunnen worden gecomprimeerd tot aanzienlijk minder dan 100 femtoseconden, waardoor nog snellere snapshots mogelijk zijn.

Bovenop zijn kleinere formaat, de Terahertz-elektronendiffractometer heeft nog een ander voordeel dat voor onderzoekers misschien nog belangrijker is:"Ons systeem is perfect gesynchroniseerd, omdat we slechts één laser gebruiken voor alle stappen:genereren, manipuleren, het meten en comprimeren van de elektronenbundels, het produceren van de Terahertz-straling en zelfs het verwarmen van het monster, " Kärtner legt uit. Synchronisatie is de sleutel in dit soort ultrasnelle experimenten. Om de snelle structurele veranderingen binnen een monster van materie zoals silicium te volgen, onderzoekers herhalen het experiment meestal vele malen en vertragen de meetpuls elke keer iets meer. Hoe nauwkeuriger deze vertraging kan worden aangepast, hoe beter het resultaat. Gebruikelijk, er moet een soort synchronisatie zijn tussen de opwindende laserpuls die het experiment start en de meetpuls, in dit geval de elektronenbundel. Als beide, de start van het experiment en de elektronenbundel en de manipulatie ervan worden geactiveerd door dezelfde laser, de synchronisatie is intrinsiek gegeven.

In een volgende stap, de wetenschappers zijn van plan om de energie van de elektronen te verhogen. Hogere energie betekent dat de elektronen dikkere monsters kunnen doordringen. De prototype-opstelling maakte gebruik van vrij energiezuinige elektronen en het siliciummonster moest worden gesneden tot een dikte van slechts 35 nanometer (miljoensten van een millimeter). Door nog een versnellingstrap toe te voegen, zouden de elektronen voldoende energie kunnen krijgen om 30 keer dikkere monsters met een dikte tot 1 micrometer (duizendste millimeter) te penetreren, zoals de onderzoekers uitleggen. Voor nog dikkere monsters, Röntgenstralen worden normaal gebruikt. Hoewel röntgendiffractie een gevestigde en enorm succesvolle techniek is, elektronen beschadigen het monster meestal niet zo snel als röntgenstralen. "De gedeponeerde energie is veel lager bij het gebruik van elektronen, " legt Zhang uit. Dit kan handig zijn bij het onderzoeken van delicate materialen.

Dit werk is ondersteund door de Europese Onderzoeksraad in het kader van het zevende kaderprogramma van de Europese Unie (FP7/2007-2013) via de Synergy Grant AXSIS (609920), Project KA908-12/1 van de Deutsche Forschungsgemeinschaft, en het accelerator on a chip-programma (ACHIP) gefinancierd door de Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF4744).