Un compresor que utiliza radiación de terahercios para acortar los grupos de electrones es lo suficientemente pequeño como para caber en la palma de una mano. Crédito:Dawn Harmer / SLAC National Accelerator Laboratory
Investigadores del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía han hecho un nuevo y prometedor avance para la "cámara de electrones" de alta velocidad del laboratorio que podría permitirles "filmar" pequeños, movimientos ultrarrápidos de protones y electrones en reacciones químicas nunca antes vistas. Estas "películas" podrían eventualmente ayudar a los científicos a diseñar procesos químicos más eficientes. inventar materiales de última generación con nuevas propiedades, desarrollar medicamentos para combatir enfermedades y más.
La nueva técnica aprovecha una forma de luz llamada radiación de terahercios, en lugar de la radiación de radiofrecuencia habitual, para manipular los haces de electrones que utiliza el instrumento. Esto permite a los investigadores controlar la rapidez con la que la cámara toma instantáneas y, al mismo tiempo, reduce un efecto molesto llamado jitter de sincronización, lo que evita que los investigadores registren con precisión la línea de tiempo de cómo cambian los átomos o las moléculas.
El método también podría conducir a aceleradores de partículas más pequeños:debido a que las longitudes de onda de la radiación de terahercios son unas cien veces más pequeñas que las de las ondas de radio, los instrumentos que utilizan radiación de terahercios podrían ser más compactos.
Los investigadores publicaron los hallazgos en Cartas de revisión física el 4 de febrero.
Una cámara veloz
La "cámara de electrones de SLAC, "o instrumento de difracción de electrones ultrarrápida (MeV-UED), utiliza haces de electrones de alta energía que viajan cerca de la velocidad de la luz para tomar una serie de instantáneas, esencialmente una película, de la acción entre y dentro de las moléculas. Esto ha sido usado por ejemplo, para filmar una película de cómo una molécula en forma de anillo se rompe cuando se expone a la luz y para estudiar los procesos a nivel de átomo en la fusión del tungsteno que podrían informar los diseños de reactores nucleares.
La técnica funciona disparando racimos de electrones a un objeto objetivo y registrando cómo se dispersan los electrones cuando interactúan con los átomos del objetivo. Los grupos de electrones definen la velocidad de obturación de la cámara de electrones. Cuanto más cortos sean los racimos, cuanto más rápidos sean los movimientos que pueden capturar en una imagen nítida.
"Es como si el objetivo estuviera congelado en el tiempo por un momento, "dice Emma Snively de SLAC, quien encabezó el nuevo estudio.
Emma Snively y Mohamed Othman de SLAC en la cámara de electrones de alta velocidad del laboratorio, "un instrumento para la difracción ultrarrápida de electrones (MeV-UED). Crédito:Jacqueline Orrell / SLAC National Accelerator Laboratory
Por esta razón, Los científicos quieren que todos los electrones de un grupo alcancen un objetivo lo más cerca posible de forma simultánea. Lo hacen dando a los electrones de la parte posterior un pequeño impulso de energía, para ayudarlos a alcanzar a los que van a la cabeza.
Hasta aquí, Los investigadores han utilizado ondas de radio para transmitir esta energía. Pero la nueva técnica desarrollada por el equipo de SLAC en las instalaciones de MeV-UED utiliza luz a frecuencias de terahercios.
¿Por qué terahercios?
Una ventaja clave de usar radiación de terahercios radica en cómo el experimento acorta los grupos de electrones. En la instalación de MeV-UED, los científicos disparan un láser a un electrodo de cobre para eliminar electrones y crear haces de haces de electrones. Y hasta hace poco normalmente usaban ondas de radio para acortar estos racimos.
Sin embargo, las ondas de radio también aumentan cada grupo de electrones a una energía ligeramente diferente, por lo que los racimos individuales varían en la rapidez con la que alcanzan su objetivo. Esta variación de tiempo se llama jitter, y reduce la capacidad de los investigadores para estudiar procesos rápidos y marcar con precisión cómo cambia un objetivo con el tiempo.
El método de los terahercios evita esto dividiendo el rayo láser en dos. Un rayo golpea el electrodo de cobre y crea grupos de electrones como antes, y el otro genera los pulsos de radiación de terahercios para acortar los grupos de electrones. Dado que fueron producidos por el mismo rayo láser, Los racimos de electrones y los pulsos de terahercios ahora están sincronizados entre sí, reduciendo la fluctuación de tiempo entre los racimos.
Hasta el femtosegundo
Una innovación clave para este trabajo, los investigadores dicen, estaba creando una cavidad de acelerador de partículas, llamado el compresor. Este trozo de metal cuidadosamente maquinado es lo suficientemente pequeño como para caber en la palma de una mano. Dentro del dispositivo, Los pulsos de terahercios acortan los racimos de electrones y les dan un empujón dirigido y eficaz.
De izquierda a derecha:Emma Snively de SLAC, Michael Kozina y Mohamed Othman en el instrumento MeV-UED del laboratorio. Crédito:Jacqueline Orrell / SLAC National Accelerator Laboratory
Como resultado, el equipo podría comprimir grupos de electrones para que duren solo unas pocas decenas de femtosegundos, o cuadrillonésimas de segundo. Eso no es tanta compresión como los métodos convencionales de radiofrecuencia pueden lograr ahora, pero los investigadores dicen que la capacidad de reducir simultáneamente el jitter hace que el método de terahercios sea prometedor. Los compresores más pequeños hechos posibles por el método de terahercios también significarían un costo menor en comparación con la tecnología de radiofrecuencia.
"Los esquemas típicos de compresión de radiofrecuencia producen grupos más cortos pero una fluctuación muy alta, "dice Mohamed Othman, otro investigador de SLAC en el equipo. "Si produce un grupo comprimido y también reduce el jitter, entonces podrá captar procesos muy rápidos que nunca antes habíamos podido observar ".
Finalmente, el equipo dice, el objetivo es comprimir los grupos de electrones hasta aproximadamente un femtosegundo. Luego, los científicos pudieron observar las escalas de tiempo increíblemente rápidas del comportamiento atómico en reacciones químicas fundamentales como la ruptura de enlaces de hidrógeno y la transferencia de protones individuales entre átomos. por ejemplo, que no se entienden completamente.
"Al mismo tiempo que estamos investigando la física de cómo estos haces de electrones interactúan con estas intensas ondas de terahercios, también estamos construyendo una herramienta que otros científicos pueden usar de inmediato para explorar materiales y moléculas de una manera que antes no era posible. "dice Emilio Nanni de SLAC, quien lideró el proyecto con Renkai Li, otro investigador de SLAC. "Creo que ese es uno de los aspectos más gratificantes de esta investigación".
