Gli scienziati di DESY hanno costruito una fotocamera elettronica compatta in grado di catturare l'interno, dinamica ultraveloce della materia. Il sistema spara brevi fasci di elettroni su un campione per scattare istantanee della sua attuale struttura interna. È il primo diffrattometro elettronico del genere che utilizza la radiazione Terahertz per la compressione degli impulsi. Il team di sviluppo degli scienziati DESY Dongfang Zhang e Franz Kärtner del Center for Free-Electron Laser Science CFEL ha convalidato il loro diffrattometro elettronico ultraveloce potenziato con Terahertz con l'indagine su un campione di silicio e ha presentato il loro lavoro nel primo numero della rivista Scienza ultraveloce , un nuovo titolo nel Scienza gruppo di riviste scientifiche.

La diffrazione elettronica è un modo per investigare la struttura interna della materia. Però, non rappresenta direttamente la struttura. Anziché, quando gli elettroni colpiscono o attraversano un campione solido, sono deviati in modo sistematico dagli elettroni nel reticolo interno del solido. Dal modello di questa diffrazione, registrato su un rilevatore, si può calcolare la struttura reticolare interna del solido. Per rilevare i cambiamenti dinamici in questa struttura interna, devono essere usati brevi mazzi di elettroni sufficientemente luminosi. "Più corto è il gruppo, più veloce è il tempo di esposizione, "dice Zhang, che ora è professore alla Shanghai Jiao Tong University. "Tipicamente, diffrazione elettronica ultraveloce (UED) utilizza lunghezze di grappolo, o tempi di esposizione, di circa 100 femtosecondi, che è 0,1 trilionesimi di secondo."

Tali brevi fasci di elettroni possono essere prodotti di routine con alta qualità da acceleratori di particelle all'avanguardia. Però, queste macchine sono spesso grandi e ingombranti, in parte a causa della radiazione a radiofrequenza utilizzata per alimentarli, che opera nella banda Gigahertz. La lunghezza d'onda della radiazione imposta la dimensione per l'intero dispositivo. Il team di DESY ora utilizza invece radiazioni Terahertz con lunghezze d'onda circa cento volte più corte. "Questo significa fondamentalmente, i componenti dell'acceleratore, qui un compressore mazzo, può essere cento volte più piccolo, pure, " spiega Kartner, che è anche professore e membro del cluster di eccellenza "CUI:Advanced Imaging of Matter" presso l'Università di Amburgo.

Per il loro studio di prova di principio, gli scienziati hanno sparato grappoli con circa 10, 000 elettroni ciascuno su un cristallo di silicio riscaldato da un breve impulso laser. I grappoli erano lunghi circa 180 femtosecondi e mostrano chiaramente come il reticolo cristallino del campione di silicio si espande rapidamente entro un picosecondo (trilionesimi di secondo) dopo che il laser ha colpito il cristallo. "Il comportamento del silicio in queste circostanze è molto noto, e le nostre misurazioni si adattano perfettamente alle aspettative, convalidare il nostro dispositivo Terahertz, " dice Zhang. Stima che in una configurazione ottimizzata, i fasci di elettroni possono essere compressi a significativamente meno di 100 femtosecondi, consentendo istantanee ancora più veloci.

Oltre alle sue ridotte dimensioni, il diffrattometro elettronico Terahertz ha un altro vantaggio che potrebbe essere ancora più importante per i ricercatori:"Il nostro sistema è perfettamente sincronizzato, poiché utilizziamo un solo laser per tutti i passaggi:Generazione, manipolare, misurare e comprimere i fasci di elettroni, producendo la radiazione Terahertz e persino riscaldando il campione, " Spiega Kärtner. La sincronizzazione è fondamentale in questo tipo di esperimenti ultraveloci. Per monitorare i rapidi cambiamenti strutturali all'interno di un campione di materia come il silicio, i ricercatori di solito ripetono l'esperimento molte volte, ritardando un po' di più l'impulso di misurazione ogni volta. Più preciso è questo ritardo può essere regolato, migliore è il risultato. Generalmente, ci deve essere una sorta di sincronizzazione tra l'eccitante impulso laser che avvia l'esperimento e l'impulso di misurazione, in questo caso il fascio di elettroni. Se entrambi, l'inizio dell'esperimento e il fascio di elettroni e la sua manipolazione sono innescati dallo stesso laser, la sincronizzazione è intrinsecamente data.

In un passaggio successivo, gli scienziati hanno in programma di aumentare l'energia degli elettroni. Una maggiore energia significa che gli elettroni possono penetrare campioni più spessi. La configurazione del prototipo utilizzava elettroni a energia piuttosto bassa e il campione di silicio doveva essere tagliato a uno spessore di soli 35 nanometri (milionesimi di millimetro). L'aggiunta di un altro stadio di accelerazione potrebbe fornire agli elettroni energia sufficiente per penetrare campioni 30 volte più spessi con uno spessore fino a 1 micrometro (millesimo di millimetro), come spiegano i ricercatori. Per campioni ancora più spessi, I raggi X sono normalmente utilizzati. Sebbene la diffrazione dei raggi X sia una tecnica consolidata e di grande successo, gli elettroni di solito non danneggiano il campione con la stessa rapidità con cui lo fanno i raggi X. "L'energia depositata è molto più bassa quando si usano gli elettroni, " spiega Zhang. Questo potrebbe rivelarsi utile quando si indaga su materiali delicati.

Questo lavoro è stato sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca nell'ambito del Settimo programma quadro dell'Unione europea (FP7/2007-2013) attraverso il Synergy Grant AXSIS (609920), Progetto KA908-12/1 della Deutsche Forschungsgemeinschaft, e l'acceleratore su un programma di chip (ACHIP) finanziato dalla fondazione Gordon e Betty Moore (GBMF4744).