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【中國科學報】科學家將超快電子衍射分辨率提高至50飛秒

 

時間:2020-05-06
來源:中國科學報  【責任編輯:】
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  上海交通大學物理與天文學院向導教授和張杰院士領導的課題組與上??萍即髮W萬唯實教授合作,將加速器領域的雙偏轉消色差技術與激光領域啁啾脈沖放大壓縮技術結合,在國際上首次實現無時間抖動電子束脈寬壓縮,并將超快電子衍射的時間分辨率提高到優于50飛秒(1飛秒=0.000000000000001秒),將美國同行保持多年的分辨率世界記錄提高了近3倍。相關研究成果論文近日發表于《物理評論快報》。

  拍攝超高時間分辨的原子電影是科學家的夢想,超快電子衍射長期以來被認為是實現這一夢想的方法之一。

  將同步輻射裝置中常用的DBA系統(包含兩個偏轉磁鐵和三個四極磁鐵)與直線節合理組合,可實現從電子源到樣品的等時傳輸。研究人員通過合理選擇DBA和直線節的參數,使得整個系統成為無時間色散系統,即電子的飛行時間不依賴于電子能量,也就不受微波的幅值抖動和相位噪聲的影響。

  研究人員在實驗中通過精確調節電子束能量獲得等時傳輸,同時調節空間電荷力的強度以產生與DBA時間色散匹配的電子束能量啁啾,獲得了超短超穩定電子束。對1小時數據平均后,獲得的包括電子束脈寬和時間抖動卷積后的結果為40飛秒,首次突破50飛秒的分辨率障礙。

  為驗證以上的高時間分辨率,研究人員利用上海交通大學物理與天文學院錢冬教授課題組提供的高品質單晶Bi樣品開展了原理驗證實驗,實驗中除觀察到代表A1g模式(約2.6 THz)的布拉格衍射斑強度振蕩外,得益于更高的時間分辨率和更高的電子亮度,也觀察到漫散射信號的振蕩,其攜帶了能量如何從電子傳遞到晶格,以及聲子之間是如何相互作用相互耦合的信息。

  值得指出的是,對于X光自由電子激光,受限于電子束與激光的時間抖動,目前國際上各大裝置仍需要對X光的時間抖動或者時間慢漂進行校正方能獲得類似的振蕩;而該實驗得益于構建的無時間色散系統,無需校正時間抖動或時間慢漂。

  向導表示,在實現優于50 飛秒分辨率后,研究人員正在進一步優化設施中的各項子系統,預期在不遠的將來能獲得更高的時間分辨率,并有望使許多原來認為不可分辨的超快物理或者化學過程成為可能。

  據悉,上海交通大學兆伏特超快電子衍射與成像系統由基金委國家重大科研儀器設備研制專項資助,目前已完成建設并面向國內外超快科學用戶開放運行。論文第一作者為博士研究生齊鋒鋒。

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