Změřte pohyb elektronů v atomu – až na milióntinu miliardtiny sekundy

Přesná synchronizace rentgenových a externích laserových pulzů je hlavní překážkou při analýze dat z experimentů XFEL. Vědci využili časových rozdílů mezi dvěma typy elektronů a zaznamenali desítky tisíc měření, která na mřížce vytvořila charakteristický eliptický tvar. Jejich výsledky ukázaly, že polohu těchto jednotlivých datových bodů lze odečíst jako ručičky hodin a odhalit načasování ultrarychlých pohybů elektronů. Fotografický kredit: Daniel Haynes / Jörg Harms

S novou technologií získají vědci dramaticky lepší rozlišení pomocí elektronových laserů bez rentgenových paprsků.

Intenzivní, velmi krátké rentgenové pulsy z tvrdých rentgenových laserů bez elektronů (XFEL) mohou zaznamenávat obrazy biologických struktur až do atomového měřítka a osvětlovat nejrychlejší procesy v přírodě s rychlostí závěrky pouze jedna femtosekunda, miliontina miliardtina sekundy.

Na těchto malých časových stupnicích je však extrémně obtížné synchronizovat rentgenový pulz, který spouští reakci ve vzorku s následným pulzem, který reakci sleduje. Tento problém, známý jako časování chvění, je hlavní překážkou při provádění těchto experimentů XFEL se stále lepším rozlišením.

Nyní mezinárodní tým, výzkumný pracovník SLAC National Accelerator Laboratory Ministerstva energetiky, Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, německá elektronová synchrotronová laboratoř (DESY) a Institut Paula Scherrera našel cestu kolem tohoto problému měřením základního procesu rozpadu v neonovém plynu na SLAC Linac Coherent Light Source (LCLS). Práce byla publikována v Přírodní fyzika v lednu.

Otřásání chvění

Mnoho biologických systémů – a některých nebiologických – je poškozeno, když jsou stimulovány rentgenovým pulsem z XFEL. Jednou z příčin poškození je proces známý jako Augerův rozpad: rentgenový puls vysune z atomů ve vzorku některé z nejpevněji vázaných elektronů, nazývané fotoelektrony, a slabší elektrony na ně přijdou. Tento „relaxační“ proces uvolňuje energii a může vyvolat emise dalšího elektronu známého jako Augerův elektron.

Záření z intenzivních rentgenových paprsků a pokračující emise Augerových elektronů mohou vzorek rychle poškodit. Aby se toto poškození zmírnilo, měla by se provést měření, než dojde k rozpadu. Proto je cenná přesná znalost časových měřítek rozpadu. Kvůli časovému chvění však obecně není možné vyřešit takové procesy rychlého rozpadu v XFEL.

„Je to jako pokusit se vyfotografovat konec závodu, když je aktivována závěrka fotoaparátu kdykoli za posledních 10 sekund,“ říká hlavní autor Dan Haynes, doktorand Max Planck.

Aby se předešlo problémům s chvěním, vyvinul výzkumný tým vysoce přesnou metodu pro znázornění Augerova rozpadu a demonstroval svou metodu na vzorcích neonových plynů.

Dotek inspirace

Nová technologie je založena na zavedených metodách pruhové spektroskopie, při které jsou emitované elektrony urychlovány nebo zpomalovány elektrickým polem „pasoucího se“ laserového pulsu. V této metodě XFEL puls spouští procesy a proužkový pulz funguje jako sonda, která je sleduje. Časový jitter obvykle omezuje rozlišení této techniky v XFEL.

Po vystavení fotoelektronů i Augerových elektronů vnějšímu proužkovému laserovému pulzu vědci určili jejich konečnou kinetickou energii v každém z desítek tisíc jednotlivých měření. Protože Augerovy elektrony jsou emitovány později než fotoelektrony, interagují také o něco později s pastevním laserovým pulsem a tento konzistentní rozdíl umožnil vědcům odlišit dva typy elektronů od sebe navzájem.

Navzdory nekontrolovatelnému časovému chvění mezi dvěma impulsy vede tento konzistentní faktor k charakteristickému eliptickému tvaru v analyzovaných datech, když jsou měření zaznamenávána do mřížky. Pozici jednotlivých datových bodů kolem elipsy lze odečíst jako ručičky hodin, aby bylo možné určit přesné načasování ultrarychlých pohybů elektronů.

Vědci věří, že tato technika bude mít širší dopad v oblasti ultrarychlé vědy. Augerův rozpad je navíc klíčovým faktorem pro studium exotických, vysoce vzrušených stavů hmoty, které lze zkoumat pouze na XFEL.

“S touto technikou jsme byli schopni měřit zpoždění s přesností menší než femtosekunda, přestože časování chvění během experimentu bylo v oblasti 100 femtosekund,” říká Haynes. “Může umožnit novou třídu experimentů, které těží z flexibility a extrémní intenzity XFEL.” “

Odkaz: „Clocking Auger Electron“ DC Haynes, M. Wurzer, A. Schletter, A. Al-Haddad, C. Blaga, C. Bostedt, J. Bozek, H. Bromberger, M. Bucher, A. Camper, S Carron, R. Coffee, JT Costello, LF DiMauro, Y. Ding, K. Ferguson, I. Grguraš, W. Helml, MC Hoffmann, M. Ilchen, S. Jalas, NM Kabachnik, AK Kazansky, R. Kienberger AR Maier, T. Maxwell, T. Mazza, M. Meyer, H. Park, J. Robinson, C. Roedig, H. Schlarb, R. Singla, F. Tellkamp, ​​PA Walker, K. Zhang, G Doumy, C. Behrens a AL Cavalieri, 18. ledna 2021, Přírodní fyzika.
DOI: 10.1038 / s41567-020-01111-0

LCLS je uživatelské zařízení DOE Office of Science. Tento výzkum byl podpořen DOE Office of Science.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Proč jsou metody distribuce vakcín COVID-19 krátké + 3 způsoby, jak je vylepšit

Objevilo se několik návrhů, jak distribuovat COVID-19 vakcíny, ale nezajistí spravedlivé rozdělení vakcíny. Tým, který zahrnuje Nicole Hassoun, profesorku na Binghamton University, navrhuje...

Obstrukční spánková apnoe je běžná u lidí s kognitivními poruchami – je léčitelná

Léčitelná porucha spánku, která je běžná u lidí s poruchami myšlení a paměti. K obstrukční spánkové apnoe dochází, když je během spánku dýchání opakovaně přerušováno....

Kvantové tunelování v grafenu posouvá éru vysokorychlostní bezdrátové komunikace Terahertz

Kvantové tunelování. Půjčka: Tisková kancelář Daria Sokol / MIPT Vědci z MIPT, Moskevské státní pedagogické univerzity a univerzity v Manchesteru vyvinuli velmi citlivý terahertzový...

Využití vibračních molekul ke studiu vlnových vlastností hmoty

Molekulární ionty HD + (páry žlutých a červených bodů) v iontové pasti (šedé) jsou ozářeny laserovou vlnou (červená). To vede k kvantovým skokům,...

Kampaň NASA SnowEx kopání hluboko v roce 2021

Měření sněhu se může zdát jednoduché, ale každé prostředí představuje pro přístroje jedinečné výzvy. Například sněžení v lesích se zachytává na větvích nebo...

Newsletter

Subscribe to stay updated.