19.08.2021 - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Una cámara de electrones de mesa capta la dinámica ultrarrápida de la materia

El equipo del DESY demuestra el primer difractómetro de electrones mejorado con terahercios

Los científicos del DESY han construido una cámara de electrones compacta que puede captar la dinámica interna y ultrarrápida de la materia. El sistema dispara racimos cortos de electrones a una muestra para tomar instantáneas de su estructura interna actual y es el primer difractómetro de electr ones de este tipo que utiliza la radiación de terahercios para la compresión de pulsos. El equipo de desarrolladores en torno a los científicos del DESY Dongfang Zhang y Franz Kärtner, del Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres CFEL, validó su difractómetro de electrones ultrarrápido potenciado por terahercios con la investigación de una muestra de silicio y presenta su trabajo en el primer número de la revista Ultrafast Science, un nuevo título del grupo de revistas científicas Science.

La difracción de electrones es una forma de investigar la estructura interna de la materia. Sin embargo, no se obtiene una imagen directa de la estructura. En cambio, cuando los electrones chocan o atraviesan una muestra sólida, son desviados de forma sistemática por los electrones de la red interna del sólido. A partir del patrón de esta difracción, registrado en un detector, se puede calcular la estructura de la red interna del sólido. Para detectar los cambios dinámicos en esta estructura interna, hay que utilizar haces cortos de electrones suficientemente brillantes. "Cuanto más corto sea el racimo, más rápido será el tiempo de exposición", explica Zhang, que ahora es profesor de la Universidad Jiao Tong de Shanghai. "Normalmente, la difracción ultrarrápida de electrones (UED) utiliza longitudes de racimo, o tiempos de exposición, de unos 100 femtosegundos, que son 0,1 trillonésimas de segundo".

Los aceleradores de partículas de última generación pueden producir de forma rutinaria racimos de electrones tan cortos con gran calidad. Sin embargo, estas máquinas suelen ser grandes y voluminosas, en parte debido a la radiación de radiofrecuencia utilizada para alimentarlas, que opera en la banda de los gigahercios. La longitud de onda de la radiación determina el tamaño de todo el aparato. El equipo del DESY utiliza ahora la radiación de terahercios, con longitudes de onda aproximadamente cien veces más cortas. "Esto significa básicamente que los componentes del acelerador, aquí un montón de compresores, pueden ser también cien veces más pequeños", explica Kärtner, que también es profesor y miembro del clúster de excelencia "CUI: Advanced Imaging of Matter" de la Universidad de Hamburgo.

Para su estudio de prueba de principio, los científicos dispararon racimos con unos 10.000 electrones cada uno a un cristal de silicio que se calentó con un breve pulso láser. Los haces duraron unos 180 femtosegundos y muestran claramente cómo la red cristalina de la muestra de silicio se expande rápidamente en un picosegundo (trillonésima de segundo) después de que el láser golpee el cristal. "El comportamiento del silicio en estas circunstancias es muy conocido, y nuestras mediciones se ajustan perfectamente a las expectativas, validando nuestro dispositivo de terahercios", afirma Zhang. Calcula que, en un montaje optimizado, los racimos de electrones pueden comprimirse a un tamaño significativamente inferior a 100 femtosegundos, lo que permitiría obtener instantáneas aún más rápidas.

Además de su reducido tamaño, el difractómetro de electrones de terahercios tiene otra ventaja que podría ser aún más importante para los investigadores: "Nuestro sistema está perfectamente sincronizado, ya que utilizamos un solo láser para todos los pasos: generar, manipular, medir y comprimir los haces de electrones, producir la radiación de terahercios e incluso calentar la muestra", explica Kärtner. La sincronización es clave en este tipo de experimentos ultrarrápidos. Para controlar los rápidos cambios estructurales en una muestra de materia como el silicio, los investigadores suelen repetir el experimento muchas veces retrasando el pulso de medición un poco más cada vez. Cuanto más preciso sea este retraso, mejor será el resultado. Normalmente, es necesario que haya algún tipo de sincronización entre el pulso láser excitante que inicia el experimento y el pulso de medición, en este caso el racimo de electrones. Si tanto el inicio del experimento como el racimo de electrones y su manipulación son activados por el mismo láser, la sincronización está intrínsecamente dada.

En un siguiente paso, los científicos planean aumentar la energía de los electrones. Una mayor energía significa que los electrones pueden penetrar en muestras más gruesas. En el prototipo se utilizaron electrones de muy baja energía y la muestra de silicio tuvo que ser cortada a un grosor de sólo 35 nanómetros (millonésimas de milímetro). Si se añadiera otra etapa de aceleración, los electrones podrían penetrar en muestras 30 veces más gruesas, con un espesor de hasta 1 micrómetro (milésima de milímetro), según explican los investigadores. Para muestras aún más gruesas, normalmente se utilizan los rayos X. Aunque la difracción de rayos X es una técnica bien establecida y de gran éxito, los electrones no suelen dañar la muestra tan rápidamente como los rayos X. "La energía depositada es mucho menor cuando se utilizan electrones", explica Zhang. Esto podría resultar útil para investigar materiales delicados.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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