DESY团队展示了第一台太赫兹增强型电子衍射仪

DESY 的科学家们建造了一个紧凑型电子相机，可以捕捉到物质的内部超快动力学。该系统向样品发射短束电子以拍摄其当前内部结构的快照，并且是第一个使用太赫兹辐射进行脉冲压缩的电子衍射仪。来自自由电子激光科学中心 CFEL 的 DESY 科学家 Dongfang Zhang 和 Franz Kärtner 的开发团队通过对硅样品的研究验证了他们的太赫兹增强型超快电子衍射仪，并在超快科学杂志的第一期中介绍了他们的工作，科学期刊科学组的新标题。

电子衍射是研究物质内部结构的一种方法。但是，它不会直接对结构进行成像。相反，当电子撞击或穿过固体样品时，它们会被固体内部晶格中的电子系统地偏转。根据这种衍射图案，记录在检测器上，可以计算出固体的内部晶格结构。为了检测这种内部结构的动态变化，必须使用足够明亮的短电子束。“束越短，曝光时间越快，”现任上海交通大学教授的张说。“通常，超快电子衍射 (UED) 使用约 100 飞秒的束长或曝光时间，即 0.1 万亿分之一秒。”

这种短电子束可以通过最先进的粒子加速器常规高质量地生产。然而，这些机器通常又大又笨重，部分原因是用于为它们供电的射频辐射工作在千兆赫兹频段。辐射的波长决定了整个设备的大小。DESY 团队现在正在使用太赫兹辐射，而不是波长大约短一百倍。“这基本上意味着，加速器组件，这里是一堆压缩器，也可以小一百倍，”Kärtner 解释说，他也是教授和卓越集群“CUI：物质的高级成像”的成员。汉堡大学。

为了进行原理验证研究，科学家们在由短激光脉冲加热的硅晶体上发射了每束大约有 10,000 个电子的电子束。这些束长约 180 飞秒，清楚地显示了在激光击中晶体后硅样品的晶格如何在皮秒(万亿分之一秒)内快速膨胀。“硅在这些情况下的行为是众所周知的，我们的测量完全符合预期，验证了我们的太赫兹设备，”张说。他估计，在优化设置中，电子束可以被压缩到显着小于 100 飞秒，从而实现更快的快照。

除了缩小尺寸之外，太赫兹电子衍射仪还有另一个对研究人员来说可能更重要的优势：“我们的系统是完全同步的，因为我们只使用一个激光器完成所有步骤：生成、操纵、测量和压缩电子束，产生太赫兹辐射，甚至加热样品，”Kärtner 解释说。同步是这种超快实验的关键。为了监测像硅这样的物质样本中快速的结构变化，研究人员通常会多次重复实验，同时每次都稍微延迟测量脉冲。这种延迟可以调整得越准确，结果就越好。通常，启动实验的激发激光脉冲和测量脉冲之间需要某种同步，在这种情况下是电子束。如果实验的开始和电子束及其操纵都由同一激光触发，则本质上是同步的。

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