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科学家发明能观察到电子运动的技术方法!

X射线激光器 SLAC 加速器
发布:2020-11-06 13:50:55     来源:博科园

美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家,发明了一种能观察电子运动的方法,其强大的X射线激光爆发只有280阿秒。这项名为X射线激光增强阿秒脉冲产生(XLEAP)的技术,是科学家们多年来一直在努力的一大进步,它为突破性研究分子周围的电子如何引发生物学、化学、材料科学等领域的关键过程铺平了道路,其研究成果现发表在《自然光子学》期刊上。研究的主要作者之一,斯坦福脉冲研究所研究员,SLAC科学家James Cryan表示:

到目前为止,我们可以精确地观察原子的运动,但实际上驱动化学反应更快的电子运动被模糊了。同时斯坦福脉冲研究所是SLAC和斯坦福大学的联合研究所,有了这一进步,将能够使用X射线激光来观察电子是如何移动的,以及这是如何为随后的化学奠定基础,这推动了超快科学的前沿。对这些时间尺度的研究可以揭示,例如光合作用过程中光的吸收几乎是如何瞬间推动电子,并引发一系列速度更慢的事件,最终产生氧气。

超快X射线科学的飞跃

研究的主要作者之一,XLEAP项目的负责人,SLAC科学家Agostino Marinelli表示:有了X射线激光增强阿秒脉冲产生,就可以创造出能量恰到好处的X射线脉冲,比之前类似能量的阿秒脉冲亮100万倍以上。它将让科学家做很多人们一直想用X射线激光做的事情,现在也是在阿秒时间尺度上。一阿秒是一段令人难以置信的短时间:两阿秒对于一秒就像一秒对于宇宙的年龄一样。近年来,科学家在创造阿秒X射线脉冲方面取得了很大进展。

然而,这些脉冲要么是太弱,要么是它们没有合适能量来控制快速的电子运动。在过去的三年里,Marinelli和同事们一直在研究如何使用14年前提出的X射线激光方法,用来产生具有正确性质的脉冲——这一努力最终促使了X射线激光增强阿秒脉冲产生(XLEAP)技术的诞生。在科学家们开始对SLAC直线加速器相干光源(LCLS)X射线激光器进行重大升级之前进行的实验中,XLEAP团队证明了可以产生精确计时的阿秒X射线脉冲对,这些脉冲可以启动电子并记录这些运动。

这些快照可以串连在一起,成为定格动作电影,美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学X射线科学专家琳达·杨(Linda Young)表示:X射线激光增强阿秒脉冲产生确实是一个巨大的进步,其阿秒X射线脉冲具有前所未有的强度和灵活性,是观察和控制复杂系统中单个原子位置电子运动的突破性工具。像LCLS这样的X射线激光通常会产生持续十亿分之一秒(即飞秒)的闪光。这个过程首先产生一束电子束,这些电子束被捆绑成短束,并通过线性粒子加速器发送,在那里它们获得能量。

阿秒X射线激光脉冲

它们以接近光速的速度行进,通过一种称为波荡器的磁铁,在那里一些能量被转换成X射线爆发。电子束越短越亮,它们产生的X射线爆发就越短,因此制作阿秒X射线脉冲的一种方法是将电子压缩成越来越小,具有高峰值亮度的束,X射线激光增强阿秒脉冲产生就是这样一种聪明的方法。在LCLS,研究小组在波荡器前插入了两组磁铁,使他们能够将每个电子束塑造成所需的形状:一个包含具有广泛能量范围的电子的密集、窄的尖峰。

SLAC科学家、论文共同第一作者约瑟夫·杜里斯(Joseph Duris)说:当将这些脉冲长度约为一飞秒的尖峰发射通过波荡器时,产生的X射线脉冲要比这个短得多。这些脉冲也非常强大,其中一些达到了半太瓦的峰值功率。为了测量这些令人难以置信的短X射线脉冲,科学家们设计了一种特殊装置,其中X射线穿透气体并剥离其中的一些电子,形成电子云。来自红外激光的圆偏振光与云相互作用,给电子一个踢。由于光的特殊极化,一些电子最终比其他电子移动得更快。

第一作者、斯坦福大学(Stanford)最近的博士李思琪(Siqi Li)说:这项技术工作原理类似于LCLS实施的另一个想法,它将时间映射到像时钟臂这样的角度上。它能测量电子速度和方向的分布,由此可以计算出X射线脉冲长度。接下来,XLEAP团队将进一步优化该方法,这可能促使更强烈和可能更短的脉冲诞生。同时还在为LCLS-II做准备,LCLS-II是LCLS的升级,它将每秒发射高达100万个X射线脉冲——比以前快8000倍。这将能让研究人员进行长期梦想的实验,例如研究单个分子及其在自然界最快时间尺度上的行为。

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