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又一利器誕生:科學家發明一種,能觀察到電子運動的技術方法!

12月
03
2019

2019年12月03日03時 博科園

博科園

美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家,發明了一種能觀察電子運動的方法,其強大的X射線雷射爆發只有280阿秒。這項名為X射線雷射增強阿秒脈衝產生(XLEAP)的技術,是科學家們多年來一直在努力的一大進步,它為突破性研究分子周圍的電子如何引發生物學、化學、材料科學等領域的關鍵過程鋪平了道路,其研究成果現發表在《自然光子學》期刊上。研究的主要作者之一,斯坦福脈衝研究所研究員,SLAC科學家James

Cryan表示:

到目前為止,我們可以精確地觀察原子的運動,但實際上驅動化學反應更快的電子運動被模糊了。同時斯坦福脈衝研究所是SLAC和史丹福大學的聯合研究所,有了這一進步,將能夠使用X射線雷射來觀察電子是如何移動的,以及這是如何為隨後的化學奠定基礎,這推動了超快科學的前沿。對這些時間尺度的研究可以揭示,例如光合作用過程中光的吸收幾乎是如何瞬間推動電子,並引發一系列速度更慢的事件,最終產生氧氣。

超快X射線科學的飛躍

研究的主要作者之一,XLEAP項目的負責人,SLAC科學家Agostino

Marinelli表示:有了X射線雷射增強阿秒脈衝產生,就可以創造出能量恰到好處的X射線脈衝,比之前類似能量的阿秒脈衝亮100萬倍以上。它將讓科學家做很多人們一直想用X射線雷射做的事情,現在也是在阿秒時間尺度上。一阿秒是一段令人難以置信的短時間:兩阿秒對於一秒就像一秒對於宇宙的年齡一樣。近年來,科學家在創造阿秒X射線脈衝方面取得了很大進展。

然而,這些脈衝要麼是太弱,要麼是它們沒有合適能量來控制快速的電子運動。在過去的三年里,Marinelli和同事們一直在研究如何使用14年前提出的X射線雷射方法,用來產生具有正確性質的脈衝——這一努力最終促使了X射線雷射增強阿秒脈衝產生(XLEAP)技術的誕生。在科學家們開始對SLAC直線加速器相干光源(LCLS)X射線雷射器進行重大升級之前進行的實驗中,XLEAP團隊證明了可以產生精確計時的阿秒X射線脈衝對,這些脈衝可以啟動電子並記錄這些運動。

這些快照可以串連在一起,成為定格動作電影,美國能源部阿貢國家實驗室和芝加哥大學X射線科學專家琳達·楊(Linda

Young)表示:X射線雷射增強阿秒脈衝產生確實是一個巨大的進步,其阿秒X射線脈衝具有前所未有的強度和靈活性,是觀察和控制複雜系統中單個原子位置電子運動的突破性工具。像LCLS這樣的X射線雷射通常會產生持續十億分之一秒(即飛秒)的閃光。這個過程首先產生一束電子束,這些電子束被捆綁成短束,並通過線性粒子加速器發送,在那裡它們獲得能量。

阿秒X射線雷射脈衝

它們以接近光速的速度行進,通過一種稱為波盪器的磁鐵,在那裡一些能量被轉換成X射線爆發。電子束越短越亮,它們產生的X射線爆發就越短,因此製作阿秒X射線脈衝的一種方法是將電子壓縮成越來越小,具有高峰值亮度的束,X射線雷射增強阿秒脈衝產生就是這樣一種聰明的方法。在LCLS,研究小組在波盪器前插入了兩組磁鐵,使他們能夠將每個電子束塑造成所需的形狀:一個包含具有廣泛能量範圍的電子的密集、窄的尖峰。

SLAC科學家、論文共同第一作者約瑟夫·杜里斯(Joseph

Duris)說:當將這些脈衝長度約為一飛秒的尖峰發射通過波盪器時,產生的X射線脈衝要比這個短得多。這些脈衝也非常強大,其中一些達到了半太瓦的峰值功率。為了測量這些令人難以置信的短X射線脈衝,科學家們設計了一種特殊裝置,其中X射線穿透氣體並剝離其中的一些電子,形成電子云。來自紅外雷射的圓偏振光與雲相互作用,給電子一個踢。由於光的特殊極化,一些電子最終比其他電子移動得更快。

第一作者、史丹福大學(Stanford)最近的博士李思琪(Siqi

Li)說:這項技術工作原理類似於LCLS實施的另一個想法,它將時間映射到像時鐘臂這樣的角度上。它能測量電子速度和方向的分布,由此可以計算出X射線脈衝長度。接下來,XLEAP團隊將進一步優化該方法,這可能促使更強烈和可能更短的脈衝誕生。同時還在為LCLS-II做準備,LCLS-II是LCLS的升級,它將每秒發射高達100萬個X射線脈衝——比以前快8000倍。這將能讓研究人員進行長期夢想的實驗,例如研究單個分子及其在自然界最快時間尺度上的行為。

博科園|研究/來自:SLAC國家加速器實驗室

參考期刊《自然光子學》

DOI: 10.1038/s41566-019-0549-5

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