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SLAC使電子相機成為世界各地科學家的超快科學世界級工具

在過去幾年中,能源部的SLAC國家加速器實驗室開發了一種新工具,可以清晰地顯示物理和化學過程:超高速“電子相機”能夠跟蹤各種材料中的原子運動實時。從本周開始,該實驗室已向全球研究人員提供此工具。

該工具是用于超快電子衍射(MeV-UED)的儀器。它使用一束高能電子來探測物質,對于理解時間尺度上發生的原子過程特別有用,該時間尺度大約為100飛秒,百萬分之一十億分之一秒。這些快速快照為自然和技術過程提供了全新的見解,有益于生物學,化學,材料科學和其他領域的應用。

MeV-UED儀器的首次提案驅動試驗計劃于今年12月完成,并將向來自30多個機構的16個用戶組提供強大的電子束。實驗最初將集中在材料科學和熱,密集的物質狀態。

MeV-UED補充了該實驗室世界領先的超快科學研究方法,包括SLAC的旗艦X射線激光器,Linac相干光源(LCLS)。利用這些方法的廣泛性,科學家們可以探索快速過程的非常不同但同樣重要的方面。

“為響應2014年2月DOE關于電子散射和衍射未來的研討會,SLAC啟動了一項超快電子衍射計劃,旨在開發世界領先的儀器,其功能將與LCLS相輔相成,”導演Xijie Wang說。 MeV-UED儀器。“將我們的尖端技術應用于廣泛的科學界,并支持SLAC的超快科學計劃對我們來說是一個令人興奮的里程碑。”

MeV-UED儀器已被整合到LCLS用戶設施中,增加了使用X射線的實驗站。

“開發和應用這種新型超快科學工具的進展速度確實非常顯著,”LCLS主任Mike Dunne說。“當能源部基礎能源科學辦公室批準將MeV-UED納入LCLS時,我們感到非常高興,為來自美國和世界各地的研究人員提供了這種令人興奮的新功能的開放接入。”

這個動畫解釋了研究人員如何使用SLAC中的高能電子來研究與重要材料特性和化學過程相關的原子和分子的快速運動。圖片來源:Greg Stewart / SLAC國家加速器實驗室

無與倫比的科學催化劑

自2014年該計劃啟動以來,Wang和他的團隊一直在完善該技術。在此過程中,MeV-UED研究已經產生了大量具有高影響力的出版物,描述了太陽能電池和數據存儲材料的發現; 提供前所未有的分子振動和分裂的電影; 研究了核聚變反應堆材料的輻射損傷; 并發現可用于分子開關的異常波動材料特性。

“在過去的四年中,我們已經證明MeV-UED可以導致超快電子衍射的范式轉變,部分原因在于它能夠探測各種固體和氣體樣品,”Wang說。“電子的高能量是我們儀器獨有的,它將超快電子衍射從定性科學轉變為定量科學,現在我們的實驗用于驗證理論預測并推動新的理論發展。”

該團隊最新的研發工作致力于探索液態的科學,這是許多生物化學過程的自然環境,因此科學家們很快就能夠了解生物學和化學的一些最令人抓狂的細節。

加入力量打破新的科學基礎

當與實驗室的X射線激光器結合使用時,新儀器的全部潛力變得更加清晰。

通過LCLS,科學家們可以在幾飛秒內快速跟蹤發生的分子變化。使用MeV-UED,他們可以在這些快速反應過程中發現具有無與倫比的原子分辨率的清晰分子圖像。空間和時間上的非凡分辨率有助于形成快速基本過程的完整畫面。

這可以通過兩項化學反應研究來說明,其中環狀分子在光照下會破裂 - 這一過程在我們體內維生素D的生成中起著重要作用。幾年前,研究人員使用LCLS制作了一部分子電影,它首次提供了反應的運作方式。最近的一項使用MeV-UED的研究增加了額外的高分辨率細節。

SLAC新型超快電子衍射儀器示意圖 - 世界上最快的“電子相機”之一 - 研究人員可以研究在不到100萬億分之一秒內發生的材料運動。通過在金屬光電陰極上照射激光脈沖來產生脈沖電子束。光束通過射頻場加速并由磁透鏡聚焦。然后它穿過樣品并散射樣品的原子核和電子,在探測器上產生衍射圖像。這些衍射圖像隨時間的變化用于重建樣品內部結構的超快運動。圖片來源:Greg Stewart / SLAC國家加速器實驗室

“LCLS和MeV-UED一起構成一站式X射線光子和電子工廠,具有共生關系,它們滿足了我們科學界的廣泛需求,”LCLS科學家Mike Minitti說道,他負責整合在MeV-UED儀器上進行實驗的基于提議的選擇過程,類似于X射線設施現有的提案審查過程。

歡迎來自世界各地的科學家

在過去幾年中,當Wang的團隊從頭開始構建他們的儀器時,一些外部團體被邀請與SLAC團隊合作,與MeV-UED一起開展研究項目。

現在,SLAC幾乎為所有人開放了對該儀器的訪問權限。研究人員可以提交實驗建議,然后由專家委員會進行評估,排名,如果成功,給予時間進行實驗。這與LCLS和其他X射線光源處理儀器訪問的方式相同。

雖然用戶將在未來幾個月內來自全球各地,但該儀器的第一個實驗是由一位從一開始就參與MeV-UED的研究人員完成的,為固體材料設計樣品室。LCLS和斯坦福材料與能源科學研究所(SIMES)的科學家亞歷山大·里德(Alexander Reid)本周正在收集數據。

“看到MeV-UED系統開始以一種可以做的態度和許多借來的部件成為科學發現的真正動力,這是非常令人欣慰的,”里德說。

Reid正在研究納米尺度的磁性現象,如鐵鉑,這是一種新穎但復雜的材料,與基于云的數據存儲器相關,可以提高數據存儲的效率和可靠性。但在材料被廣泛使用之前,研究人員首先需要了解其基本的磁性行為。

“通過LCLS,我們可以非常好地測量磁性在非常快的時間尺度上的變化。通過UED,我們可以看到材料的原子結構以及它對變化的磁性的反應,”Reid說。“將這兩個測量值放在一起可以全面了解整個系統的運行情況。”

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