W najnowszym wydaniu czasopisma Ultrafast Science, grupa naukowców, działająca m.in. w ośrodku badawczym DESY (Center for Free-Electron Laser Science, Deutsches Elektronen-Synchrotron), zaprezentowała swój pierwszy ultraszybki dyfraktometr elektronowy oparty na źródle elektronów skompresowanych do THz. Zastosowanie takiego rozwiązania pozwala uchwycić ultraszybką wewnętrzną dynamikę materii, dostarczając informacji o strukturze stanów nierównowagowych i jednocześnie wytwarzając wysokiej jakości wzory dyfrakcyjne.
Działa elektronowe to elementy urządzeń (na przykład kineskopu czy mikroskopu elektronowego), wytwarzające strumień elektronów o odpowiedniej energii. Można je klasyfikować według rodzaju generowania pól elektrycznych – najczęściej stałoprądowe (DC) lub zmiennoprądowe o częstotliwości radiowej (RF).
W ciągu ostatnich lat zainteresowanie osiągnięciem rozdzielczości czasowej poniżej 100 femtosekund (fs) w takich urządzeniach, z wystarczającą jasnością i częstotliwością powtarzania sygnału, systematycznie wzrasta. Dzięki stale poprawiającym się parametrom można prowadzić już bezpośrednią obserwację pierwotnych procesów fizycznych i chemicznych. Jednak głównym wyzwaniem przy generowaniu krótkich wiązek elektronów jest wyeliminowanie nieodłącznego efektu poszerzenia ładunku przestrzennego i uniknięcie szumów przy synchronizacji. Ponadto dotychczasowe urządzenia są najczęściej duże i nieporęczne, ze względu na wykorzystywane do ich zasilania promieniowanie o częstotliwości radiowej (pasmo GHz), którego to długość określa wielkość całego układu pomiarowego.
Schemat układu pomiarowego terahercowego dyfraktometru elektronowego (STEAM – segmentowy terahercowy akcelerator i manipulator elektronów, PPLN – okresowo polaryzowany niobian litu). Źródło: DESY, Dongfang Zhang
Dzięki zastosowaniu fali w zakresie terahercowym możliwe jest więc zmniejszenie rozmiaru dyfraktometru. Zespół DESY przekształcił niewielką część wiązki optycznej z podczerwieni o długości 1030 nm na 257 nm w oparciu o dwustopniową generację drugiej harmonicznej. Następnie impuls UV skierowany został na złotą fotokatodę generującą impulsy elektronowe, przyspieszane do 53 keV przez stałe pole elektryczne.
„Impulsy ultrafioletowe (UV) do fotoemisji w dziale DC, wielocyklowe impulsy THz do napędzania falowodu dielektrycznego (DLW), jednocyklowe impulsy THz do napędzania urządzenia STEAM oraz impulsy pompującego lasera optycznego do wzbudzania próbki są generowane za pomocą tego samego lasera” – takie rozwiązanie zapewnia doskonałą synchronizację pomiędzy pobudzającym impulsem lasera a impulsem próbkującym, co jest kluczowe podczas przeprowadzania ultraszybkiej dyfrakcji elektronów.
Wiązki elektronów z konwencjonalnego działa na prąd stały zostały skompresowane za pomocą wielocyklowego falowodu (DLW) zasilanego THz. W celu udowodnienia skuteczności działania zastosowanych rozwiązań, naukowcy wykorzystali otrzymaną wiązkę do zbadania dynamiki struktury monokrystalicznego krzemu na grubości 35 nm, demonstrując wysokiej jakości wzory dyfrakcyjne w lepszej rozdzielczości czasowej.
Kolejnym planowanym usprawnieniem będzie zwiększenie energii wiązki elektronowej, co umożliwi penetrację grubszych warstw lub faz gazowych, a także skrócenie czasu trwania impulsów. Aby uzyskać więcej informacji o projekcie i jego planowanych modyfikacjach, kliknij tu oraz tu.
Na podstawie: THz-Enhanced DC Ultrafast Electron Diffractometer; Dongfang Zhang, Tobias Kroh, Felix Ritzkowsky, Timm Rohwer, Moein Fakhari, Huseyin Cankaya, Anne-Laure Calendron, Nicholas H. Matlis, and Franz X. Kärtner; Ultrafast Science, 2021; DOI: 10.34133/2021/9848526
