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太赫兹辐射技术为研究原子行为打开了一扇新的大门
发布时间:2020-03-26 22:32:18 阅读:180

来源:百家号-科技报告与资讯

使用太赫兹辐射来缩短电子束的压缩机很小,可以放入手掌。图片提供:Dawn Harmer / SLAC国家加速器实验室

    美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员在高速“电子照相机”方面取得了令人鼓舞的新进展,该高速电子照相机可以“记录”化学反应中质子和电子的微小超快运动,记录的结果可以帮助科学家设计更有效的化学过程,例如发明具有新特性的下一代材料、开发抗击疾病的药物等等。

    这项新技术利用一种被称为太赫兹辐射的光代替了通常的射频辐射,来操纵仪器使用的电子束。这使研究人员可以控制相机拍摄快照的速度,同时减少“定时抖动”,而定时抖动会阻止研究人员准确记录原子或分子变化的时间线。

    该方法还可以衍生出更小的粒子加速器:因为太赫兹辐射的波长比无线电波的波长小100倍左右,所以使用太赫兹辐射的仪器可能会更紧凑。

    研究人员于2月4日在《物理评论快报(Physical Review Letters)》上发表了这一发现。

    快速相机

    SLAC的“电子照相机”或超快电子衍射(MeV-UED)仪器使用以光速行进的高能电子束在分子之间和分子内部拍摄一系列快照(主要是视频)。例如,它已用于拍摄环形分子在暴露于光线下时如何破裂的视频,并研究熔化钨的原子级过程,这些过程可能会为核反应堆设计提供信息。

    这项技术的工作原理是在目标物体上发射一束电子,并记录电子与目标原子相互作用时如何散射。电子束定义电子照相机的快门速度。束越短,它们可以在清晰图像中捕获的运动越快。

    领导这项新研究的SLAC的Emma Snively对这一过程形容为“好像目标被及时冻结了一样”

    因此,科学家们希望使一束中的所有电子尽可能同时接近目标。他们通过给后面的电子多一点能量来达到这个目的,以帮助他们追上前面的电子。

    到目前为止,研究人员主要使用无线电波来传递这种能量。但是,SLAC团队在MeV-UED设施中开发的新技术使用的是太赫兹频率的光。

    为什么是太赫兹?

    使用太赫兹辐射的主要优势在于缩短电子束。在MeV-UED设施中,科学家在铜电极上发射激光,以撞击电子并产生电子束。一直以来,他们都是使用无线电波使这些束变短。

    但是,无线电波还会将每个电子束提升到不同的能量,因此各个电子束到达目标的速度有所不同。这种时序差异称为抖动,它降低了研究人员研究快速过程,也使得无法为随时间而发生的变化标注准确的时间。

    太赫兹方法通过将激光束分成两部分来解决这个问题。一束光像以前一样撞击铜电极并产生电子束,另一束产生太赫兹辐射脉冲以缩短电子束。由于它们是由相同的激光束产生的,因此电子束和太赫兹脉冲现在彼此同步,从而减少了束之间的时序抖动。

    到飞秒

    研究人员说,这项工作的关键创新是创建了一个称为压缩机的粒子加速器腔。这种经过精心加工的金属块很小,可以放在手掌上。在设备内部,太赫兹脉冲会缩短电子束,并有针对性地有效推动电子束。

    鉴于此,研究小组可以压缩电子束,使它们仅持续数十飞秒,即四十分之一秒。这虽然还不如现在常规射频方法压缩的那么多,但是研究人员说,同时降低抖动的能力使太赫兹方法大有前途。与射频技术相比,通过太赫兹方法实现的更小的压缩机也意味着更低的成本。

    研究小组的另一位SLAC研究人员Mohamed Othman说:“典型的射频压缩方案产生的束较短,但抖动却很高。如果产生压缩的束并减少抖动,那么将能够捕获非常快的过程,这是我们以前从未观察到的。”

    该团队表示,最终目标是将电子束压缩到大约飞秒。然后,科学家们可以观察到根本化学反应中原子行为的惊人时间尺度,例如氢键断裂和单个质子在原子之间转移等尚未完全理解的过程。

    “与此同时,我们正在研究这些电子束如何与这些强烈的太赫兹波相互作用的物理原理,同时,我们还在构建一种工具,其他科学家可以使用该工具以之前不可能的方式探索材料和分子,” SLAC的Emilio Nanni说,他与另一位SLAC研究员Renkai Li共同领导了该项目。“我认为这是这项研究最有意义的方面之一。”

    本研究发表论文标题为《Femtosecond Compression Dynamics and Timing Jitter Suppression in a THz-driven Electron Bunch Compressor》。

 
 

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