记录原子内电子运动的时间,精确到十亿分之一秒

x射线和外部激光脉冲的精确同步

X射线和外部激光脉冲的精确同步是分析来自XFEL实验数据的主要障碍。研究人员利用了两种类型的电子之间的定时差异,绘制了在网格上形成特征椭圆形状的数千个测量。他们的结果表明,这些单独的数据点的位置可以像时钟的手一样读取,以揭示超自递电子运动的时间。信用:Daniel Haynes /Jörg危害

科学家们通过一项新技术大大提高了x射线自由电子激光器的分辨率。

硬x射线自由电子激光器(XFELs)产生的强烈、超短的x射线脉冲可以捕捉到生物结构到原子级别的图像,并以一飞秒,即十亿分之一秒的快门速度揭示自然界中最快的过程。

然而,在这些微型时间尺度上,使X射线脉冲引发样品中的反应与观察反应的后续脉冲非常困难。这个问题称为时序抖动,是执行这些XFEL实验的主要障碍,具有更好的分辨率。

现在,一个包括来自能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员,Max Planck Synce的Max Planck Synchitute,Deutsches Elektronen-Synchrotron实验室(谜底)而保罗·谢勒研究所已经找到了一种解决这个问题的方法,在SLAC的线性相干光源(LCLS)中测量氖气体的基本衰变过程。这本书发表在自然物理在一月

摇晃着傻瓜

许多生物系统 - 一些非生物学系统 - 当通过来自XFEL的X射线脉冲激发时遭受损坏。一种损坏的原因是称为螺旋钻衰减的过程:X射线脉冲从样品中的原子中弹出一些称为光电子,并且更弱的电子落入其占地面积。这种“弛豫”过程释放能量,可以诱导另一个电子的排放,称为螺旋钻电子。

来自激烈的X射线的辐射和螺旋钻电子的持续排放可以迅速损害样品。为了减轻这种损坏,在衰变集中之前应该捕获测量,因此精确了解衰减时间尺度是有价值的。但是,由于时序抖动,通常不可能在XFELS下解决这种快速衰减过程。

“这就像在最终10秒的任何时刻激活相机快门可能会激活一下比赛的结束时,”Max Planck的博士生博士生博士学生领先作家丹海恩斯说。

为了避免抖动问题,研究小组想出了一种高度精确的方法来绘制俄歇衰减,并在氖气体样本上演示了他们的方法。

一个灵感的条纹

新技术在既定的条纹光谱法中建立,其中发射的电子通过“条纹”激光脉冲的电场加速或减速。在该方法中,XFEL脉冲触发过程,条纹脉冲用作观察它们的探针。通常,定时抖动在XFELS中限制了该技术的解决方案。

在将光电子和俄歇电子暴露于外部的条纹激光脉冲之后,研究人员在成千上万的单独测量中分别测定了它们的最终动能。由于俄歇电子发射的时间比光电子晚,它们与条纹激光脉冲的相互作用也要晚一些,这种一致的差异使研究人员能够区分这两种类型的电子。

尽管两个脉冲之间存在不可控的定时抖动,但当测量结果绘制在网格上时,这种一致的因素导致分析数据中的特征椭圆形状。椭圆周围单个数据点的位置可以像时钟指针一样读取,以揭示超快电子运动的精确时间。

研究人员希望这项技术将在超快科学领域产生更广泛的影响。此外,俄歇衰变是研究奇异的、高激发态物质的关键因素,这只能在XFELs进行研究。

Haynes说:“这项技术使我们能够以亚飞秒的精度测量延迟,即使在实验期间的时间抖动在100飞秒范围内,它可能会促进新类别的实验,得益于XFELs的灵活性和极端强度。”

参考:“孵蛋的俄歇电子”d . c .海恩斯·m·威廉姆斯,a . Schletter a . Al-Haddad c . Blaga c . Bostedt j . Bozek h·布姆透露,m·布赫a .露营者s Carron r .咖啡,j·t·科斯特洛l . f . DiMauro y叮,k .弗格森i Grguraš,w . Helml m·c·霍夫曼m . Ilchen比特杰拉,n . m . Kabachnik a·k·卡赞斯基教授领导的r . Kienberger a·r·迈尔·t·麦克斯韦,t·马扎m . Meyer h .公园,j·罗宾逊,c . Roedig h . Schlarb r . Singla f . Tellkamp p·a·沃克,k, g . DoumyC.贝伦斯和A. L.卡瓦列里,2021年1月18日,自然物理
DOI: 10.1038 / s41567 - 020 - 01111 - 0

LCLS是美国能源部科学用户设施办公室。这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持。

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