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新突破極大地提高了X射線自由電子激光器可實現(xiàn)的超快分辨率

星之球科技 來源:科技領航人2021-03-05 我要評論(0 )   

來自各種研究組織的大型國際科學家團隊,包括美國能源部(DOE)的阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory),已開發(fā)出一種方法,該方法可顯著提高使用X射線自由電...

來自各種研究組織的大型國際科學家團隊,包括美國能源部(DOE)的阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory),已開發(fā)出一種方法,該方法可顯著提高使用X射線自由電子激光器(XFEL)可實現(xiàn)的超快時間分辨率。它可能會導致在設計新材料和更有效的化學過程方面取得突破。

圖注:X射線自由電子激光器(XFEL)氖氣測量的藝術描繪。光電子與俄歇電子的發(fā)射之間固有的延遲會導致分析數(shù)據(jù)中的特征橢圓。 原則上,可以像鐘針一樣讀取橢圓周圍各個數(shù)據(jù)點的位置,以顯示衰減過程的精確時序。

X射線自由電子激光器(XFEL)設備是粒子加速器和激光技術的強大組合,可產(chǎn)生極其明亮和超短的X射線脈沖,用于科學研究?!袄眠@項技術,科學家現(xiàn)在可以追蹤在十億分之一秒(飛秒)內(nèi)發(fā)生的過程,其大小可降至原子級以下?!?阿貢大學化學科學與工程部門的物理學家吉爾斯·杜米說,“我們的方法可以實現(xiàn)更快的速度?!?/p>

X射線自由電子激光器(XFEL)最有前途的應用之一是生物科學。在這樣的研究中,科學家甚至可以在激光X射線的輻射破壞樣品之前,就了解生命基本生物學過程如何隨時間變化。在物理和化學領域,這些X射線還可以以飛秒的快門速度揭示自然界發(fā)生的最快過程。這樣的過程包括化學鍵的產(chǎn)生和破壞,以及薄膜表面上原子的振動。

十多年來,X射線自由電子激光器(XFEL)發(fā)射出了強大的飛秒X射線脈沖,近來飛躍進入了亞飛秒范圍(秒)。但是,在這些微小的時間尺度上,很難使在樣品中產(chǎn)生反應的X射線脈沖與“觀察”到該脈沖的激光脈沖同步,這個問題被稱為定時抖動。

首席作者丹·海恩斯(Dan Haynes)是馬克斯·普朗克物質與結構動力學研究所的博士生,他說:“這就像試圖在比賽的最后階段拍攝照片,因為在最后十秒內(nèi)的任何時候相機的快門可能會在任何時候激活?!?/p>

為了避免抖動問題,研究團隊提出了一種開創(chuàng)性,高度精確的方法,稱為“自參考阿秒條紋”。該團隊通過在直線加速器相干光源(SLAC國家加速器實驗室的DOE科學用戶設施辦公室)上測量氖氣的基本衰減過程,來演示他們的方法。

杜米和他當時的顧問俄亥俄州立大學教授路易斯·迪馬羅(Louis DiMauro)于2012年首次提出了這一測量方法。

在稱為俄歇衰變的衰變過程中,X射線脈沖將樣品中的原子核電子彈射到原處。這導致它們被外部原子殼中的電子取代。隨著這些外部電子的松弛,它們釋放能量。該過程可以引發(fā)另一個電子的發(fā)射,稱為俄歇電子。輻射損壞是由于強烈的X射線和俄歇電子的持續(xù)發(fā)射而造成的,它們會迅速降解樣品。在X射線照射下,氖原子也發(fā)射電子,稱為光電子。

在將兩種電子都暴露于外部“條紋”激光脈沖后,研究人員在成千上萬次單獨測量中確定了它們的最終能量。

“通過這些測量,我們可以以亞飛秒的精度跟蹤時間的俄歇衰變,即使定時抖動大了一百倍?!?杜米說,“該技術依賴于這樣的事實,俄歇電子的發(fā)射比光電子稍晚,因此與條紋激光脈沖的不同部分相互作用?!?/p>

這個因素構成了該技術的基礎。通過結合如此多的個人觀察,該團隊能夠構造出物理衰變過程的詳細地圖。根據(jù)這些信息,他們可以確定光電子與俄歇電子發(fā)射之間的特征時間延遲。

研究人員希望自我參照條紋技術將對超快科學領域產(chǎn)生廣泛的影響。從本質上講,該技術使傳統(tǒng)的阿秒條紋光譜學可以擴展到全球范圍內(nèi)的X射線自由電子激光器(XFEL),因為它們接近阿秒邊界。這樣,自參考條紋可以在不影響時間分辨率的前提下,受益于X射線自由電子激光器(XFEL)的靈活性和極高的強度,可以促進一類新的實驗。


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