“小小”衍射仪看见“你的心”
安装在实验台上的太赫兹增强电子衍射仪。图片来源：DESY
德国电子同步加速器研究所（DESY）的科学家建造了一个小巧的电子摄像机，它可以捕捉到物质内部超快的动力学过程。该设备向检测样品发射短束电子，拍摄其当前内部结构的快照，这是第一个使用太赫兹辐射进行脉冲压缩的电子衍射仪。研究人员通过硅样品研究验证了该太赫兹增强超快电子衍射仪的准确性，相关论文近日刊登于《超快科学》。
电子衍射是研究物质内部结构的一种方法。当电子撞击或穿过固体样品时，它们会被固体内部晶格中的电子偏转。科学家利用记录在探测器上的衍射图样可以计算出固体的内部晶格结构。为了探测这种内部结构的动态变化，必须使用足够明亮的短束电子。通常，超快电子衍射使用的束长或曝光时间约为100飞秒，即0.1万亿分之一秒。
这种短的电子束通常可以由最先进的粒子加速器高质量地产生。然而，这些机器通常又大又笨重，部分原因是它们使用无线电频率辐射在千兆赫波段工作，通常辐射的波长决定了整个设备的大小。DESY团队使用的是太赫兹辐射，波长大约为通常辐射波长的1/100。研究人员表示这意味着装置大小是原来的1/100。
在原理证明研究中，科学家向一个由短激光脉冲加热的硅晶体发射了每束约10000个电子。这些束长约180飞秒，清楚地显示了激光击中晶体后硅样品晶格如何在1皮秒（一万亿分之一秒）内迅速膨胀。
下一步，科学家计划增加电子的能量。更高的能量意味着电子可以穿透更厚的样品。（鲁亦）
相关论文信息：https://doi.org/10.34133/2021/9848526
来源： 《中国科学报》
在光激发分子中捕捉电子与原子核之舞：超快电子衍射技术的首次成功应用
高速“电子摄像机”在光激发分子中捕捉到了电子与原子核之舞的细节。
《科学》杂志报道，科学家利用美国能源部SLAC国家加速器实验室的高速“电子摄像机”，同时捕捉到了光激发分子的电子和原子核运动。这标志着超快电子衍射技术的首次应用取得了成功。
超快电子衍射是将一束强大的电子从材料中散射出去，从而捕捉到微小粒子运动的技术。
斯坦福大学化学教授、斯坦福脉冲研究所研究员Todd Martinez说：“借助超快电子衍射技术，我们可以在自然分离两种成分的同时，跟踪电子与原子核的变化情况。这是研究人员首次同时直接获取到原子的详细位置和电子信息。”
这项技术可以让研究人员在测量量子化学模拟的核心电子行为时，更准确地了解分子行为，为未来的理论、计算方法构建奠定基础。
在之前的研究中，研究人员已经能够利用SLAC的超快电子衍射仪器MeV-UED制作出高清晰度的“分子电影”。然而，这种仪器对于分子的电子变化并不敏感。
论文作者、斯坦福大学脉冲研究所科学家Jie Yang说：“此前，虽然我们能够跟踪原子运动，但如果更仔细地观察，你会发现组成原子的原子核与电子也有特定作用——原子核构成了分子骨架，而电子则是粘合骨架的黏合剂。”
在实验中，科学家们研究了环状分子吡啶。它是紫外线诱导的DNA损伤和修复、光合作用、太阳能转换等光驱动过程的核心分子。分子对光的吸收几乎在瞬间完成，因此这类超快反应的研究难度很高。MeV-UED能够“冻结”飞秒内的运动，让研究人员得以跟踪样品产生的变化。
首先，研究人员将激光射向由吡啶分子组成的气体中，接着，他们用高能电子短脉冲轰击被激发的分子，生成快速重排后的电子、原子核快照。将快照串接起来，就能获得光引发结构变化的定格动画。
研究人员发现，电子在没有吸收能量的情况下，与吡啶发生衍射产生的弹性散射信号编码了分子的原子核行为信息，而电子与分子交换能量时产生的非弹性散射信号包含了电子变化的信息。
论文作者Xiaolei Zhu说：“来自两种散射的电子以不同的角度出现，这让我们对电子-原子核变化的相互作用有了更清晰的认识。”
论文作者Thomas Wolf补充说：“MeV-UED正在成为其他技术工具的重要补充。我们可以在同一组数据中得到电子结构和原子核的信息，同时进行单独观察和测量。”
在未来，这项技术或可让科学家们实现追踪超快光化学反应的设想。
论文作者Xijie Wang说：“超快电子衍射技术为我们开辟了一种观察事物的新方法。它让我们能够区分电子与原子核的变化。而当我们完全了解这类变化过程后，就能够着手预测和控制光化学反应了。”
原创编译：雷鑫宇 审稿：alone 责编：唐林芳
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200521161227.htm
https://www6.slac.stanford.edu/news/2020-05-21-researchers-capture-coordinated-dance-between-
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