Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În principiu, poziția punctelor de date individuale în jurul elipsei poate fi citită ca aripile unui ceas pentru a dezvălui sincronizarea precisă a proceselor dinamice. Credit: Daniel Haynes / Jörg Harms

Oamenii de știință îmbunătățesc drastic rezoluția realizabilă a laserelor electronice libere cu o nouă tehnică.

Laserele rigide cu electroni fără raze X (XFEL) furnizează impulsuri de raze X intense, ultra-scurte de mai bine de un deceniu. Una dintre cele mai promițătoare aplicații ale XFEL este biologia, unde cercetătorii pot captura imagini la scară atomică chiar înainte ca daunele provocate de radiații să distrugă proba. În fizică și chimie, aceste raze X pot, de asemenea, să lumineze cele mai rapide procese care au loc în natură cu o viteză a obturatorului care durează doar o femtosecundă, echivalentă cu o milionime de secundă.

Cu toate acestea, la aceste mici scale de timp, este extrem de dificil să sincronizați pulsul cu raze X care provoacă o reacție în eșantion pe o parte și pulsul laser care „o observă” pe cealaltă. Această problemă se numește jitter de sincronizare și este un obstacol major în eforturile continue de a efectua experimente rezolvate în timp în XFEL cu o rezoluție din ce în ce mai scurtă.

Acum, o mare echipă internațională de cercetare care include colaboratori MPSD și DESY la Hamburg, Institutul Paul Scherrer din Elveția și alte instituții din șapte țări au dezvoltat o metodă pentru a rezolva această problemă la XFEL și și-au demonstrat eficacitatea măsurând un proces fundamental de degradare a gazului neon. Lucrarea a fost publicată în Fizica naturii.

Multe sisteme biologice (și unele non-biologice) suferă daune atunci când sunt excitate de un impuls de raze X al unui XFEL. Una dintre cauzele daunelor este procesul cunoscut sub numele de Auger decay. Praful cu raze X expulză fotoelectronii din probă, ducând la înlocuirea lor cu electroni din cochiliile exterioare. Pe măsură ce acești electroni externi se relaxează, eliberează energie care poate induce ulterior emisia unui alt electron, cunoscut sub numele de electron Auger. Daunele cauzate de radiații sunt cauzate atât de razele X intense, cât și de emisia continuă de electroni Auger, care pot degrada rapid proba. Momentul acestei descompuneri ar ajuta la evitarea daunelor cauzate de radiații în experimentele care studiază diferite molecule. În plus, decăderea Auger este un parametru cheie în studiile stărilor de materie exotice și extrem de excitate, care pot fi investigate doar în XFEL.

De obicei, fluctuația timpului pare să împiedice studiile rezolvate în timp ale unui proces atât de scurt într-un XFEL. Pentru a evita problema agitației, echipa de cercetare a propus o abordare de pionierat și foarte precisă și a folosit-o pentru a urmări dezintegrarea lui Auger. Tehnica, îndoită dungă autosudată a doua, se bazează pe maparea electronilor în mii de imagini și deducerea când au fost emiși pe baza tendințelor de date globale. „Este fascinant să vedem cum îmbunătățirea noastră a unei tehnici care a fost dezvoltată inițial pentru caracterizarea impulsurilor de raze X în lasere electronice libere găsește noi aplicații în experimentele științifice ultrarapide”, spune co-autorul Christopher Behrens, un cercetător FLASH, grup de cercetare a fotonilor DESY.

Pentru prima aplicare a metodei sale, echipa a folosit gaz neon, unde timpurile de descompunere au fost deduse în trecut. După expunerea atât a fotoelectronilor, cât și a electronilor Auger la un impuls laser „zgâriat” extern, cercetătorii și-au determinat energia cinetică finală în fiecare dintre zeci de mii de măsurători individuale. În mod crucial, în fiecare măsurătoare, electronii Auger interacționează întotdeauna cu pulsul laserului zgâriat puțin mai târziu decât fotoelectronii deplasați inițial, deoarece sunt emiși mai târziu. Acest factor constant este fundamentul tehnicii. Combinând atât de multe observații individuale, echipa a reușit să construiască o hartă detaliată a procesului fizic și să determine astfel întârzierea caracteristică între emisia foto și Auger.

Autorul principal Dan Haynes, doctorand MPSD, spune: „Linia autoreferențială ne-a permis să măsurăm întârzierea dintre ionizarea razelor X și emisia Auger în gazul neon cu precizie sub-femtosecundă, în ciuda faptului că fluctuația temporală în timpul experimentului a fost în intervalul de o sută de femtosecunde. Este ca și cum ai încerca să fotografiați sfârșitul unei curse când declanșatorul camerei poate fi activat în orice moment în ultimele zece secunde. “

În plus, măsurătorile au arătat că fotoionizarea și relaxarea și decăderea ulterioară a lui Auger ar trebui tratate ca un singur proces, mai degrabă decât un proces în doi pași în descrierea teoretică a decăderii Auger. În studiile anterioare rezolvate în timp, decăderea fusese modelată semi-clasic.

Cu toate acestea, în condițiile prezente în aceste măsuri în LCLS și, în general, în XFEL, acest model sa dovedit a fi inadecvat. În schimb, Andrey Kazansky și Nikolay Kabachnik, teoreticienii colaboratori ai proiectului, au aplicat un model mecanic complet cuantic pentru a determina viața fundamentală a decăderii Auger din întârzierea observată experimental între ionizare și emisia Auger.

Cercetătorii se așteaptă ca calea auto-referențiată să aibă un impact mai larg în domeniul științei ultra-rapide. Practic, tehnica permite spectroscopiei tradiționale a benzii atosegon, restricționate anterior la sursele desktop, să se răspândească în XFEL-uri din întreaga lume pe măsură ce se apropie de limita atosegon. În acest fel, monitorizarea auto-referențiată poate facilita o nouă clasă de experimente care beneficiază de flexibilitatea și intensitatea extremă a XFEL-urilor fără a compromite rezoluția timpului.

Referință: „Clocking Auger Electrons” de 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 și AL Cavalieri, 18 ianuarie 2021, Fizica naturii.
DOI: 10.1038 / s41567-020-01111-0

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.