Главная » Статьи » Ученые создали «наклонный» пучок электронов. Это позволит следить за реакциями в прямом эфире

Ученые создали «наклонный» пучок электронов. Это позволит следить за реакциями в прямом эфире

D. Ehberger et al. / Phys. Rev. Lett.

Физики из Германии научились получать «наклоненные» фемтосекундные пучки электронов, волновой фронт которых распространяется под углом к направлению движения пучка. Для этого ученые пропускали электроны через тонкое алюминиевое зеркало и светили на них терагерцовым излучением, растягивающим и поворачивающим пучок. Статья опубликована в Pysical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics. Этот результат позволит получить на некоторых типах электронных микроскопов значительно лучшее пространственное и временное разрешение, и даст возможность, например, следить за ходом химических реакций в режиме реального времени. 

Исторически ученые используют оптические микроскопы, чтобы изучать небольшие объекты — впервые такие микроскопы были сконструированы еще в начале XVII века, и именно с их помощью биологи открыли одноклеточные организмы и изучили клеточную структуру тканей. К сожалению, возможности таких микроскопов ограничены дифракционным пределом, который не позволяет разрешить объекты с характерным размером много меньше длины волны видимого света (400–750 нанометров). С другой стороны, разрешение микроскопа можно повысить, заменяя фотоны частицами с меньшей длиной волны — например, релятивистскими электронами. Это позволяет увеличить разрешение до десятых долей ангстрема и увидеть отдельные атомы и молекулы.

В последнее время физики все больше интересуются не только пространственными, но и временны́ми характеристиками наблюдаемых процессов — например, пытаются увидеть, как атомы перемещаются в пространстве или взаимодействуют друг с другом в ходе химической реакции. Чтобы ухватить такие особенности, нужно получать «сжатые» пучки электронов, характерное время движения которых (например, время, в течение которого электроны проходят через образец) не превышает характерное время исследуемого процесса. Как правило, это время равно нескольким фемтосекундам (одна фемтосекунда = 10−15 секунд).

К сожалению, электроны внутри пучка имеют ненулевой электрический заряд и отталкиваются друг от друга, в результате чего пучок размывается во времени и пространстве. Из-за этого получить «сжатые» пучки на практике долгое время не удавалось; впервые об успехе сообщили только в 2011 году французские физики-экспериментаторы. Кроме того, такими пучками сложно управлять, и на данный момент возможности электронной микроскопии отстают от оптической. Пока что ученые умеют ускорять, сжимать, модулировать и разделять ультракороткие электронные пучки с помощью методов, аналогичных методам оптической микроскопии, однако многие практические приложения требуют более сложной структуры пучков.

Группа исследователей под руководством Питера Баума придумала, как можно «наклонить» волновой фронт фемтосекундного электронного пучка по отношению к направлению его движения. Когда такой «наклоненный» электронный пучок падает перпендикулярно поверхности образца, по ней начинает бежать «волна» энергии с эффективной скоростью v = c/tgθ, где с — скорость пучка, а θ — угол наклона; в обычных пучках (θ = 0°) энергия высвобождается одномоментно. В оптической микроскопии получить «наклоненные» пучки очень просто — достаточно пропустить электромагнитную волну через призму, и из-за дисперсии гармоники с разной частотой будут преломляться на различные углы, формируя наклоненный волновой фронт. Как правило, такие пучки используют для возбуждения образцов. К сожалению, применить этот метод для электронных пучков нельзя.

Тем не менее, ученым удалось придумать способ, с помощью которого можно «наклонить» электронный пучок, используя терагерцовое излучение и зеркало из металлической фольги. Суть этого метода заключается в том, что под действием электрического поля электромагнитной волны электроны пучка ускоряются, и его форма изменяется. А поскольку характерное время электромагнитных колебаний (10−12 секунд) много больше характерного времени прохождения пучка (10−15 секунд), поле можно считать «застывшим» во времени, а его пространственную часть описывать «мгновенным снимком» электромагнитной волны (на рисунке эта часть представлена синусоидой, которая отражает абсолютную величину вектора напряженности).

Если поле направлено перпендикулярно направлению движения пучка, его передняя и задняя часть также «растаскиваются» в противоположные стороны перпендикулярно движению, и пучок наклоняется. Если же поле направлено вдоль пучка, передняя и задняя части «прижимаются» друг к другу. Чтобы скомбинировать оба эффекта и получить сжатый наклоненный пучок, ученые использовали зеркало из тонкой алюминиевой фольги (толщина около 10 нанометров), которое свободно пропускает электроны и практически полностью отражает терагерцовое излучение. Поворачивая зеркало под нужным углом, исследователи добились того, чтобы продольная и поперечная компоненты электрического поля волны выстроились нужным образом, и повернули волновой фронт электронного пучка по отношению к направлению его движения. Частота электромагнитного излучения при этом составляла 0,3 терагерца, а кинетическая энергия электронов достигала 70 килоэлектронвольт, что отвечает скорости частиц около 0,5 от скорости света.

В результате ученым удалось получить пучки с углами наклона вплоть до θ = 10 градусов (при больших значениях пучки слишком сильно размывались). Результаты эксперимента при этом хорошо согласовались с теорией. Длина волны таких пучков в сто миллионов раз меньше, чем длина волны оптических «наклоненных» пучков, что позволяет существенно повысить разрешение исследуемых объектов. Кроме того, электроны в пучке ведут себя практически независимо: их пространственная корреляция не превышала 10−4, а временна́я — 10−2.

Авторы статьи считают, что их работа поможет добиться фемтосекундного разрешения накачивающе-зондовой микроскопии (pump-probe microscopy) — метода, в ходе которого образец возбуждается оптической волной, а его поведение отслеживается с помощью коротких пучков электронов. В самом деле, разработанный метод позволяет использовать «наклоненные» пучки не только для возбуждения, но и для считывания состояния образца, а также синхронизировать фазовую скорость «волн» энергии, бегущих по его поверхности.

В июле 2016 года физики Андрей Рябов и Питер Баум (два из трех соавторов новой работы) разработали новую методику микроскопии, которая основана на фемтосекундных пучках электронов и позволяет увидеть сверхбыстрые колебания электромагнитного поля. В сентябре 2017 года швейцарские исследователи придумали и реализовали на практике метод получения трехмерных изображений нанообъектов с помощью просвечивающей электронной микроскопии; для этого ученые «сжимали» пучки электронов в узкие конусы с помощью системы фокусирующих магнитных линз. А в июле 2018 года американские физики довели до 0,039 нанометра разрешение изображений, получаемых с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Для этого ученые использовали технику птихографии, то есть восстанавливали изображение по большому числу дифракционных спектров, полученных при различных параметрах съемки.

Дмитрий Трунин