太赫兹辐射技术为研究原子行为打开了一扇新的大门

使用太赫兹辐射来缩短电子束的压缩器很小，可以放在手掌里。Wwd安检之家
来自美国能源部国家加速器实验室的研究人员在实验室的高速“电子摄像机”上取得了一项有希望的新进展，这使得他们能够在以前从未见过的化学反应中“拍摄”质子和电子的微小、超高速运动。这样的“电影”最终可以帮助科学家设计更高效的化学过程，发明具有新特性的新一代材料，开发对抗疾病的药物等等。Wwd安检之家
这项新技术利用一种被称为太赫兹辐射的光，而不是通常的射频辐射，来操纵仪器使用的电子束。这让研究人员可以控制相机拍摄快照的速度，同时减少了一种称为“定时抖动”的效果，这种效果会阻止研究人员准确地记录原子或分子变化的时间轴。Wwd安检之家
这种方法也可以产生更小的粒子加速器：因为太赫兹辐射的波长大约比无线电波的波长小100倍，使用太赫兹辐射的仪器会更紧凑。Wwd安检之家
研究人员于2月4日在《物理评论快报》上发表了这一发现。Wwd安检之家
快速相机Wwd安检之家
SLAC的“电子照相机”，或称超快电子衍射仪器，利用接近光速的高能电子束来拍摄一系列快照——本质上是一部电影——分子之间和分子内部的动作。例如，它被用于拍摄一个环状分子在光照下如何断裂的影像，以及研究熔化钨的原子水平的过程，这可能为核反应堆的设计提供信息。Wwd安检之家
这项技术的工作原理是向目标物体发射电子束，并记录电子与目标原子相互作用时的散射情况。电子束决定了电子相机的快门速度。束越短，它们在清晰图像中捕捉到的运动就越快。Wwd安检之家
“就好像目标在某一时刻被冻结了，”SLAC的艾玛·斯尼夫利说，她是这项新研究的带头人。Wwd安检之家
出于这个原因，科学家们想要让一束电子中的所有电子尽可能同时击中一个目标。它们通过给后面的电子一点能量来达到这个目的，以帮助它们赶上前面的电子。Wwd安检之家
到目前为止，研究人员已经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。Wwd安检之家
为什么太赫兹？Wwd安检之家
使用太赫兹辐射的一个关键优势在于实验如何缩短电子束。在MeV-UED设备中，科学家们向铜电极发射激光，以击穿电子并产生电子束。直到最近，他们通常使用无线电波使这些光束变短。Wwd安检之家
然而，无线电波也会使每一束电子产生稍微不同的能量，所以每一束电子到达目标的速度是不同的。这种时间变化称为抖动，它降低了研究人员研究快速过程和准确地记录目标如何随时间变化的能力。Wwd安检之家
太赫兹法通过将激光束分成两束来解决这个问题。一束光击中铜电极，像以前一样产生电子束，另一束产生太赫兹辐射脉冲，用来缩短电子束。由于它们是由同一束激光产生的，电子束和太赫兹脉冲现在彼此同步，减少了束间的时间抖动。Wwd安检之家
一直到飞秒Wwd安检之家
研究人员说，这项工作的一个关键创新是创造了一个粒子加速器腔，称为压缩机。这块精心加工的金属块小到可以放在手掌上。在设备内部，太赫兹脉冲缩短电子束，并给他们一个有针对性的和有效的推动。因此，研究小组可以压缩电子束，使它们只持续几十飞秒，或千万亿分之一秒。这并不是传统的无线电频率方法所能达到的压缩量，但是研究人员说同时降低抖动的能力使太赫兹方法很有前途。太赫兹方法使小型压缩机成为可能，也意味着与射频技术相比成本更低。Wwd安检之家
“典型的射频压缩方案产生更短的束，但却产生非常高的抖动，”研究小组的一位研究员说。“如果你产生了一个压缩束，同时也减少了抖动，那么你就能够捕捉到非常快的进程，这是我们以前从未观察到的。”Wwd安检之家
该团队表示，最终的目标是将电子束压缩到大约1飞秒。然后，科学家们可以观察到在根本化学反应中原子行为的快速发展速度，例如氢键断裂和单个质子在原子之间转移等，这还没有被完全理解。Wwd安检之家
“与此同时，我们正在调查的物理这些电子束与强烈的太赫兹波，我们也真正构建一个工具，其他科学家可以立即使用探索材料和分子之前，是不可能的，”斯坦福线性的埃米利奥Nanni说，领导项目与李任开，另一个线性研究员。“我认为这是这项研究最有价值的方面之一。”Wwd安检之家
“与此同时，我们正在研究这些电子束如何与这些太赫兹波相互作用的物理原理，同时，我们还在真正构建一种工具，其他科学家可以立即使用该工具以不可能的方式探索材料和分子之前，”研究人员说