Фізики створили електронний дифрактометр, в якому пучки електронів формуються за допомогою терагерцевого випромінювання. Такий підхід дозволив зменшити розмір і збільшити тимчасову роздільну здатність дифрактометра - «камери» для динамічного вивчення внутрішньої структури матерії. За рахунок терагерцевого лазера вчені зменшили тривалість пучків електронів зі звичайної електронної гармати до 180 фемтосекунд, при цьому зберігши по 10000 електронів у кожному пучку. Як пишуть автори статті, опублікованої в журналі, перевірений ними метод дозволить зробити більш доступними установки для вивчення динаміки структур на атомних масштабах.
Для спостереження за мікроскопічною структурою матеріалів потрібно короткохвильове випромінювання: звичайне світло просто не помітить дефекти і особливості структури з періодом порядку розміру атома, адже його довжина хвилі сильно більша. Часто для таких цілей використовують особливо жорстке рентгенівське випромінювання, адже і його довжина хвилі, і проникаюча здатності це дозволяють. Але й у такого підходу є свої обмеження: багато матеріалів під впливом жорстких рентгенівських променів занадто швидко руйнуються, а отримання особливо коротких рентгенівських імпульсів - непросте завдання. Але саме тривалість імпульсу випромінювання визначає тимчасову роздільну здатність, з якою ці імпульси можна буде дослідити для вивчення динамічних процесів.
Однак просвічувати досліджувані об'єкти можна не тільки випромінюванням, а й частинками. З цією метою активно використовують нейтрони та електрони: якщо спостерігати за тим, як частинки відображаються від того чи іншого матеріалу, то можна багато чого дізнатися про його структуру. Особливо цей метод ефективний у вивченні кристалів, адже кристалічна решітка періодична, а значить відображені від різних її шарів частинки будуть дифрагувати, дотримуючись своєї хвильової природи. Дифракційну картину в таких дослідженнях фіксують за допомогою дифрактометрів, однією з ключових характеристик яких також є тимчасова роздільна здатність: визначається воно тривалістю (або ж довжиною) пучків частинок, що летять на досліджуваний об'єкт.
У разі дифрактометра на швидких електронах особливо складно домогтися високого тимчасового дозволу: заряджені електрони відштовхуються один від одного, через що для їх стиснення в короткий пучок доводиться або жертвувати їх числом в такому пучку, або збільшувати їх енергію, або використовувати радіочастотні резонатори. Однак зменшення кількості електронів у пучці призводить до менш чіткої дифракційної картини, а інші методи кардинально збільшують складність, вартість і розміри установки.
Для вирішення цієї проблеми Дунфан Чжан і його колеги з Центру науки про лазери на вільних електронах в DESY використовували терагерцеве випромінювання. Його довжина хвилі на порядки менша, ніж у радіовипромінювання, а значить розмір і вартість використовуваних для його генерації пристроїв також скорочується на порядки. Джерелом електронів у створеному вченими дифрактометрі була звичайна електронна гармата на постійному струмі з кінцевою енергією електронів в 53 кілоелектронвольт. Джерелом випромінювання для всіх цілей установки був єдиний лазер, що виробляє імпульси тривалістю 650 фемтосекунд на довжині хвилі в 1030 нанометрів з частотою в 1 кілогерц. Ці імпульси перетворювалися на ультрафіолетове випромінювання для фотоемісії в електронній гарматі, на терагерцеві імпульси для хвилеводу, який використовували для додаткового стиснення електронних пучків, а також для імпульсів випромінювання в оптичному діапазоні для порушення досліджуваного зразка. Така особливість встановлення усунула необхідність синхронізації всіх її елементів, яка інакше б збільшувала тимчасову роздільну здатність.
В результаті вчені отримали джерело пучків електронів тривалістю всього 180 фемтосекунд і частотою в 1 кілогерц. При цьому в кожному пучку перебувало близько 10000 електронів, чого достатньо для спостереження чіткої дифракційної картини при використанні такого пучка в дифрактометрі. Фізики підтвердили це, дослідивши за допомогою своєї установки зразок кристала кремнію товщиною в 35 нанометрів. Дифракційна картина неприпустимого зразка, зібрана протягом 1 секунди, показала добре відмінні дифракційні піки, а залежність відносної зміни інтенсивності цих піків при збудженні зразка показала очікувану експоненціальну залежність від часу.
На думку дослідників, їх результати підтверджують можливість використання електронних дифрактометрів на основі терагерцевого випромінювання для створення більш компактних і доступних установок для вивчення структурної динаміки. Крім того, вчені говорять про способи поліпшення створеної ними установки, які дозволять зменшити тривалість імпульсів до 30 фемтосекунд і збільшити енергію електронів до 0,5 мегаелектронвольт для збільшення їх проникаючої здатності, а значить і максимальної можливої товщини досліджуваного зразка.
Створення дифрактометрів з такою високою тимчасовою роздільною здатністю дозволить вивчати особливо швидкі процеси на мікроскопічному масштабі в дуже широкому діапазоні матеріалів. Поки що такі дослідження обмежені в можливостях, але вже дають цікаві результати. Наприклад, ми розповідали про те, як фізики зняли ударне народження алмазу за допомогою рентгенівського дифрактометра.