@ 2016.11.25 , 18:00

用1s的千万分之一,给化学分子拍部电影

低能耗的微型电子枪有望走进千家万户

超短波的电子和X光脉冲可以用于多种科学影像,但在不久之前这还是一项相当昂贵的技术:首先要有一个汽车大小的“电子枪”,将电子脉冲射进一个(耗资百万美元、长达数公里的)环形加速器。电子被加速到一定程度之后,穿过被称为“波荡器”的两排磁铁之间的缝隙,就会转变成X光。

在去年的《自然·通讯》上,本次研究的MIT和汉堡大学研究组就发表了一种小型“直线加速器”的原型机,可以和现有的巨型环形加速器起到同样的作用。这种加速器和刚刚发表的新型“电子枪”结合到一起,就能产生超短波X光,为各种实验室提供X光成像。

尽管论文中的电子脉冲持续时间已经达到了百飞秒级别(1s的千万亿分之一),也就是现有电子枪的最高水平,但是作者表示这个设计可以做到仅仅持续一飞秒。而持续一飞秒的电子脉冲可以生成阿托秒(一飞秒的千分之一)级别的X光脉冲,足以对正在发生的细胞生化反应进行实时成像。

“我们的装置可以为化学家、物理学家和生物学家提供X光或者电子束来进行研究。这些电子脉冲的持续时间太短了,你甚至可以给一个正在反应的分子里的电子拍一张定格照片。”另外,利用电子衍射成像技术,物理学家和化学家们还可以探测材料的物相变化,例如从导体变为绝缘体或者分子之间化学键的形成和断裂。

这次发明的新型电子枪事实上是一种改造后的RF枪。RF枪使用无线电频率的电磁波来加速电子,而新式电子枪则使用介于微波和可见光之间的太赫频率(10^12Hz)。

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如图所示,这个火柴盒大小的电子枪装置由两块铜片组成,铜片中间仅有75微米的缝隙,而外缘相隔6毫米。其中下方铜板的中央被挖出一个洞,安上了一小片30纳米厚的石英片。一束紫外线激光从底下射向石英片的最薄处,石英片上表面的自由电子发生振荡。

与此同时,一个垂直于紫外线激光的太赫电磁波脉冲,穿过了两块铜片之间的缝隙。大家可以认为电磁波包含了相互垂直的电场和磁场。电磁波脉冲被极化之后,其中的电场就会将石英片表面的电子向上方加速。

这个系统的关键就在于铜片间距的逐渐缩小,将太赫电磁脉冲限制在了比自身波长更窄的75微米缝隙之中。“这就是我们的一点微小工作,一般的光学系统是做不到的。这种限制提高了能量密度,也就提高了加速电子的能力。”

得益于加速能力的提高,能量比无线电波低得多的太赫电磁脉冲现在也可以用来加速电子了。更重要的是,加上一些光学原件之后,同一束激光可以同时生成紫外线和太赫电磁波。

来自MIT、德国电子加速器研究所和汉堡大学的科学家们在Optica上发表了这项新技术。

本文译自 EurekAlert,由译者 VC 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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