Los científicos de DESY han construido una cámara electrónica compacta que puede capturar el interior, dinámica ultrarrápida de la materia. El sistema dispara pequeños racimos de electrones a una muestra para tomar instantáneas de su estructura interna actual. Es el primer difractómetro de electrones de este tipo que utiliza radiación de Terahercios para la compresión de pulsos. El equipo de desarrolladores alrededor de los científicos de DESY Dongfang Zhang y Franz Kärtner del Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres CFEL validó su difractómetro de electrones ultrarrápido mejorado con Terahertz con la investigación de una muestra de silicio y presenta su trabajo en el primer número de la revista. Ciencia ultrarrápida , un nuevo título en el Ciencias grupo de revistas científicas.

La difracción de electrones es una forma de investigar la estructura interna de la materia. Sin embargo, no refleja la estructura directamente. En lugar de, cuando los electrones golpean o atraviesan una muestra sólida, son desviados de forma sistemática por los electrones en la red interna del sólido. A partir del patrón de esta difracción, grabado en un detector, se puede calcular la estructura reticular interna del sólido. Para detectar cambios dinámicos en esta estructura interna, Deben utilizarse racimos cortos de electrones suficientemente brillantes. "Cuanto más corto sea el grupo, cuanto más rápido sea el tiempo de exposición, "dice Zhang, que ahora es profesor en la Universidad Jiao Tong de Shanghai. "Típicamente, La difracción de electrones ultrarrápida (UED) utiliza longitudes de racimo, o tiempos de exposición, de unos 100 femtosegundos, que es 0,1 billonésimas de segundo ".

Estos pequeños grupos de electrones se pueden producir de forma rutinaria con alta calidad mediante aceleradores de partículas de última generación. Sin embargo, estas máquinas suelen ser grandes y voluminosas, en parte debido a la radiación de radiofrecuencia utilizada para alimentarlos, que opera en la banda Gigahertz. La longitud de onda de la radiación establece el tamaño de todo el dispositivo. El equipo de DESY ahora está usando radiación de Terahercios en su lugar con longitudes de onda aproximadamente cien veces más cortas. "Esto básicamente significa, los componentes del acelerador, aquí un compresor de manojo, puede ser cien veces más pequeño, también, "explica Kärtner, quien también es profesor y miembro del grupo de excelencia "CUI:Advanced Imaging of Matter" en la Universidad de Hamburgo.

Para su estudio de prueba de principio, los científicos dispararon racimos con aproximadamente 10, 000 electrones cada uno en un cristal de silicio que fue calentado por un pulso de láser corto. Los racimos tenían aproximadamente 180 femtosegundos de largo y muestran claramente cómo la red cristalina de la muestra de silicio se expande rápidamente en un picosegundo (billonésimas de segundo) después de que el láser golpea el cristal. "El comportamiento del silicio en estas circunstancias es muy conocido, y nuestras medidas se ajustan perfectamente a las expectativas, validando nuestro dispositivo de Terahercios, "dice Zhang. Estima que en una configuración optimizada, los grupos de electrones se pueden comprimir a significativamente menos de 100 femtosegundos, permitiendo instantáneas aún más rápidas.

Además de su reducido tamaño, el difractómetro de electrones de Terahercios tiene otra ventaja que podría ser aún más importante para los investigadores:"Nuestro sistema está perfectamente sincronizado, ya que usamos un solo láser para todos los pasos:Generación, manipulando medir y comprimir los racimos de electrones, produciendo la radiación de Terahercios e incluso calentando la muestra, "Explica Kärtner. La sincronización es clave en este tipo de experimentos ultrarrápidos. Para monitorear los rápidos cambios estructurales dentro de una muestra de materia como el silicio, los investigadores suelen repetir el experimento muchas veces mientras retrasan un poco más el pulso de medición cada vez. Cuanto más preciso se pueda ajustar este retardo, mejor será el resultado. Generalmente, debe haber algún tipo de sincronización entre el excitante pulso láser que inicia el experimento y el pulso de medición, en este caso el grupo de electrones. Si ambos, el inicio del experimento y el grupo de electrones y su manipulación son activados por el mismo láser, la sincronización se da intrínsecamente.

En un próximo paso, los científicos planean aumentar la energía de los electrones. Una energía más alta significa que los electrones pueden penetrar muestras más gruesas. La configuración del prototipo utilizó electrones de baja energía y la muestra de silicio tuvo que cortarse hasta un grosor de solo 35 nanómetros (millonésimas de milímetro). Agregar otra etapa de aceleración podría dar a los electrones suficiente energía para penetrar muestras 30 veces más gruesas con un espesor de hasta 1 micrómetro (milésima de milímetro), como explican los investigadores. Para muestras aún más gruesas, Normalmente se utilizan radiografías. Si bien la difracción de rayos X es una técnica bien establecida y de gran éxito, los electrones generalmente no dañan la muestra tan rápidamente como lo hacen los rayos X. "La energía depositada es mucho menor cuando se utilizan electrones, "explica Zhang. Esto podría resultar útil cuando se investigan materiales delicados.

Este trabajo ha sido apoyado por el Consejo Europeo de Investigación en el marco del Séptimo Programa Marco de la Unión Europea (FP7 / 2007-2013) a través de la Synergy Grant AXSIS (609920), Proyecto KA908-12 / 1 de la Deutsche Forschungsgemeinschaft, y el programa acelerador en un chip (ACHIP) financiado por la fundación Gordon y Betty Moore (GBMF4744).