Verificați mișcarea electronilor în interiorul unui atom: până la o milionime dintr-o miliardime de secundă

Sincronizarea precisă a impulsurilor laserului extern și a razelor X reprezintă un obstacol major în analiza datelor din experimentele XFEL. Cercetătorii au profitat de diferențele temporale dintre două tipuri de electroni, urmărind zeci de mii de măsurători care au format o formă eliptică caracteristică pe o rețea. Rezultatele lor au arătat că poziția acestor puncte de date individuale poate fi citită ca aripile unui ceas pentru a dezvălui momentul mișcărilor electronilor ultrarapizi. Credit: Daniel Haynes / Jörg Harms

Oamenii de știință obțin o rezoluție spectaculos mai bună cu ajutorul laserelor cu raze X gratuite cu o nouă tehnică.

Impulsurile de raze X intense și ultrarapide de la lasere electronice fără raze X (XFEL) pot capta imagini ale structurilor biologice până la scara atomică și pot arunca lumină asupra celor mai rapide procese ale naturii la o viteză de obturație de doar o femtosecundă, o milionime dintr-o mi de o 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 cu pulsul de urmărire care observă reacția. Această problemă, numită jitter de sincronizare, este un obstacol major în efectuarea acestor experimente XFEL cu rezoluție mereu îmbunătățită.

Acum, o echipă internațională care include cercetători de la Laboratorul Național de Accelerare SLAC al Departamentului Energiei, Institutul Max Planck pentru structura și dinamica materiei, Laboratorul Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) și Institutul Paul Scherrer au găsit o modalitate de a rezolva această problemă prin măsurarea unui proces fundamental de dezintegrare a gazului de neon în sursa de lumină coerentă Linac (LCLS) SLAC. Lucrarea a fost publicată în Fizica naturii în ianuarie.

Scuturând neliniștea

Multe sisteme biologice (și unele non-biologice) suferă daune atunci când sunt excitate de un impuls de raze X XEL. Una dintre cauzele deteriorării este un proces cunoscut sub numele de dezintegrarea Auger: pulsul cu raze X scoate din atomii din probă unii dintre cei mai legați electroni, numiți fotoelectroni, iar cei mai legați electroni cad pentru a-i înlocui. Acest proces de „relaxare” eliberează energie și poate induce emisia unui alt electron, cunoscut sub numele de electron Auger.

Radiațiile intense cu raze X și emisia continuă de electroni Auger pot deteriora rapid proba. Pentru a atenua aceste daune, trebuie luate măsuri înainte de începerea decăderii, astfel încât cunoașterea exactă a scalei de timp de decădere este valoroasă. Cu toate acestea, din cauza fluctuației timpului, în general nu este posibil să se rezolve astfel de procese de descompunere rapidă în XFEL.

„Este ca și cum ați încerca să fotografiați sfârșitul unei curse când declanșatorul camerei ar putea fi activat în orice moment în ultimele 10 secunde”, spune autorul principal Dan Haynes, doctorand la Max Planck.

Pentru a evita problema agitației, echipa de cercetare a găsit o modalitate foarte precisă de a urmări decăderea Auger și și-a demonstrat metoda în probele de gaz neon.

O dungă de inspirație

Noua tehnică se bazează pe metode stabilite de spectroscopie de bandă, în care electronii emiși sunt accelerați sau decelerați de câmpul electric al unui impuls laser „zgâriat”. În această metodă, pulsul XFEL inițiază procesele și pulsul cu bandă acționează ca o sondă pentru a le observa. În mod normal, fluctuația timpului restricționează rezoluția acestei tehnici la XFEL.

După expunerea atât a fotoelectronilor, cât și a electronilor Auger la un impuls laser cu raze externe, cercetătorii și-au determinat energia cinetică finală în fiecare dintre zeci de mii de măsurători individuale. Deoarece electronii Auger sunt emiși mai târziu decât fotoelectronii, aceștia interacționează și cu pulsul laserului zgâriat puțin mai târziu, iar această diferență consistentă le-a permis cercetătorilor să distingă cele două tipuri de electroni unul de celălalt.

În ciuda fluctuației incontrolabile a timpului între cele două impulsuri, acest factor consecvent conduce la o formă eliptică caracteristică în datele analizate atunci când măsurătorile sunt reprezentate pe o grilă. Poziția punctelor de date individuale în jurul elipsei poate fi citită ca aripile unui ceas pentru a dezvălui momentul precis al mișcărilor electronilor ultrarapizi.

Cercetătorii speră că tehnica va avea un impact mai larg în domeniul științei ultrarapide. În plus, decăderea Auger este un factor cheie în studiile stărilor de materie exotice și extrem de excitate, care pot fi investigate doar în XFEL.

„Această tehnică ne-a permis să măsurăm cu precizie întârzierea în sub-femtosecunde, chiar dacă fluctuația temporală în timpul experimentului a fost în intervalul de o sută de femtosecunde”, spune Haynes, „Poate facilita o nouă clasă de experimente care beneficiază de flexibilitate și intensitatea extremă a XFEL “.

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

LCLS este o facilitate de utilizare a DOE Science Office. Această cercetare a fost susținută de DOE Office of Science.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

„Fantomele fungice” protejează pielea, țesăturile de toxine, radiații

Fantomele fungice sunt create prin cioplirea materialului biologic din celulele fungice. Credit: Laboratorul Nathan Gianneschi / Universitatea Northwestern Inspirată de ciupercă, noua formă de...

Rezolvarea misterului genetic din centrul epidemiei COVID-19

Această imagine cu microscop electronic cu scanare arată barza-covy-2 care se ridică de la suprafața celulelor cultivate (albastru / roz) în laborator 2 credite:...

Realizarea de materiale 2D pentru o rotire

Ilustrarea conceptului de artă computerizată Spintronic. Oamenii de știință de la Universitatea Tsukuba și Institutul de Fizică la Înaltă Presiune creează un nou tranzistor de...

Doi astronauți. Două zile senine. Două perspective minunate.

23 mai 2012 Doi astronauți. Două zile senine. Două priveliști minunate în jurul acoperișului lumii. Astronauții de la Stația Spațială Internațională (ISS) au făcut...

Factor cheie identificat care face ca viermii să se simtă plini – Un factor similar poate gestiona sentimentele de completitudine la oameni

SKN-1B marcat cu GFP poate fi văzut în doi neuroni capi chimio-senzoriali. SKN-1B acționează în acești neuroni pentru a simți alimentele și pentru...

Newsletter

Subscribe to stay updated.