Электронный дифрактометр улучшили с помощью терагерцового излучения

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 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.

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.

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.

Никита Козырев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.