Os cientistas do DESY construíram uma câmera de elétrons compacta que pode capturar o interior, dinâmica ultrarrápida da matéria. O sistema dispara pequenos feixes de elétrons em uma amostra para tirar instantâneos de sua estrutura interna atual. É o primeiro difratômetro de elétrons que usa radiação Terahertz para compressão de pulso. A equipe de desenvolvedores em torno dos cientistas do DESY Dongfang Zhang e Franz Kärtner do Center for Free-Electron Laser Science CFEL validou seu difratômetro de elétrons ultrarrápido intensificado por Terahertz com a investigação de uma amostra de silício e apresenta seu trabalho na primeira edição da revista Ciência ultrarrápida , um novo título no Ciência grupo de revistas científicas.

A difração de elétrons é uma forma de investigar a estrutura interna da matéria. Contudo, ele não representa a estrutura diretamente. Em vez de, quando os elétrons atingem ou atravessam uma amostra sólida, eles são desviados de forma sistemática pelos elétrons na rede interna do sólido. A partir do padrão desta difração, registrado em um detector, a estrutura de rede interna do sólido pode ser calculada. Para detectar mudanças dinâmicas nesta estrutura interna, pacotes curtos de elétrons suficientemente brilhantes devem ser usados. "Quanto mais curto o cacho, quanto mais rápido o tempo de exposição, "diz Zhang, que agora é professor na Shanghai Jiao Tong University. "Tipicamente, difração de elétrons ultrarrápida (UED) usa comprimentos de cacho, ou tempos de exposição, de cerca de 100 femtossegundos, que é 0,1 trilionésimos de segundo. "

Esses pacotes curtos de elétrons podem ser produzidos rotineiramente com alta qualidade por aceleradores de partículas de última geração. Contudo, essas máquinas costumam ser grandes e volumosas, em parte devido à radiação de radiofrequência usada para alimentá-los, que opera na banda Gigahertz. O comprimento de onda da radiação define o tamanho de todo o dispositivo. A equipe DESY agora está usando radiação Terahertz em vez de comprimentos de onda cerca de cem vezes mais curtos. "Isso basicamente significa, os componentes do acelerador, aqui um monte de compressor, pode ser cem vezes menor, também, "explica Kärtner, que também é professor e membro do cluster de excelência "CUI:Advanced Imaging of Matter" da Universidade de Hamburgo.

Para seu estudo de prova de princípio, os cientistas dispararam cachos com cerca de 10, 000 elétrons cada em um cristal de silício que foi aquecido por um curto pulso de laser. Os cachos tinham cerca de 180 femtossegundos de comprimento e mostram claramente como a estrutura do cristal da amostra de silício se expande rapidamente em um picossegundo (trilionésimos de segundo) depois que o laser atinge o cristal. “O comportamento do silício nessas circunstâncias é bem conhecido, e nossas medições atendem perfeitamente às expectativas, validando nosso dispositivo Terahertz, "diz Zhang. Ele estima que, em uma configuração otimizada, os feixes de elétrons podem ser comprimidos a significativamente menos de 100 femtossegundos, permitindo instantâneos ainda mais rápidos.

Além de seu tamanho reduzido, o difratômetro de elétrons Terahertz tem outra vantagem que pode ser ainda mais importante para os pesquisadores:"Nosso sistema está perfeitamente sincronizado, uma vez que estamos usando apenas um laser para todas as etapas:Geração, manipulando, medir e comprimir os feixes de elétrons, produzindo a radiação Terahertz e até mesmo aquecendo a amostra, "Kärtner explica. A sincronização é a chave neste tipo de experimentos ultrarrápidos. Para monitorar as mudanças estruturais rápidas em uma amostra de matéria como o silício, os pesquisadores geralmente repetem o experimento muitas vezes, enquanto atrasam o pulso de medição um pouco mais a cada vez. Quanto mais preciso esse atraso puder ser ajustado, melhor será o resultado. Usualmente, precisa haver algum tipo de sincronização entre o pulso de laser excitante que inicia o experimento e o pulso de medição, neste caso, o feixe de elétrons. Se ambos, o início do experimento e o feixe de elétrons e sua manipulação são acionados pelo mesmo laser, a sincronização é intrinsecamente dada.

Em uma próxima etapa, os cientistas planejam aumentar a energia dos elétrons. Energia mais alta significa que os elétrons podem penetrar em amostras mais espessas. A configuração do protótipo usou elétrons de baixa energia e a amostra de silício teve que ser cortada em uma espessura de apenas 35 nanômetros (milionésimos de milímetro). Adicionar outro estágio de aceleração pode dar aos elétrons energia suficiente para penetrar em amostras 30 vezes mais espessas com uma espessura de até 1 micrômetro (milésimo de milímetro), como os pesquisadores explicam. Para amostras ainda mais espessas, Os raios X são normalmente usados. Embora a difração de raios-X seja uma técnica bem estabelecida e extremamente bem-sucedida, elétrons geralmente não danificam a amostra tão rapidamente quanto os raios-X. “A energia depositada é muito menor com o uso de elétrons, "explica Zhang. Isso pode ser útil ao investigar materiais delicados.

Este trabalho foi apoiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa no âmbito do Sétimo Programa-Quadro da União Europeia (FP7 / 2007-2013) através do Synergy Grant AXSIS (609920), Projeto KA908-12 / 1 da Deutsche Forschungsgemeinschaft, e o programa acelerador em um chip (ACHIP) financiado pela fundação Gordon and Betty Moore (GBMF4744).