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SLAC使电子相机成为世界各地科学家的超快科学世界级工具

在过去几年中,能源部的SLAC国家加速器实验室开发了一种新工具,可以清晰地显示物理和化学过程:超高速“电子相机”能够跟踪各种材料中的原子运动实时。从本周开始,该实验室已向全球研究人员提供此工具。

该工具是用于超快电子衍射(MeV-UED)的仪器。它使用一束高能电子来探测物质,对于理解时间尺度上发生的原子过程特别有用,该时间尺度大约为100飞秒,百万分之一十亿分之一秒。这些快速快照为自然和技术过程提供了全新的见解,有益于生物学,化学,材料科学和其他领域的应用。

MeV-UED仪器的首次提案驱动试验计划于今年12月完成,并将向来自30多个机构的16个用户组提供强大的电子束。实验最初将集中在材料科学和热,密集的物质状态。

MeV-UED补充了该实验室世界领先的超快科学研究方法,包括SLAC的旗舰X射线激光器,Linac相干光源(LCLS)。利用这些方法的广泛性,科学家们可以探索快速过程的非常不同但同样重要的方面。

“为响应2014年2月DOE关于电子散射和衍射未来的研讨会,SLAC启动了一项超快电子衍射计划,旨在开发世界领先的仪器,其功能将与LCLS相辅相成,”导演Xijie Wang说。 MeV-UED仪器。“将我们的尖端技术应用于广泛的科学界,并支持SLAC的超快科学计划对我们来说是一个令人兴奋的里程碑。”

MeV-UED仪器已被整合到LCLS用户设施中,增加了使用X射线的实验站。

“开发和应用这种新型超快科学工具的进展速度确实非常显着,”LCLS主任Mike Dunne说。“当能源部基础能源科学办公室批准将MeV-UED纳入LCLS时,我们感到非常高兴,为来自美国和世界各地的研究人员提供了这种令人兴奋的新功能的开放接入。”

这个动画解释了研究人员如何使用SLAC中的高能电子来研究与重要材料特性和化学过程相关的原子和分子的快速运动。图片来源:Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室

无与伦比的科学催化剂

自2014年该计划启动以来,Wang和他的团队一直在完善该技术。在此过程中,MeV-UED研究已经产生了大量具有高影响力的出版物,描述了太阳能电池和数据存储材料的发现; 提供前所未有的分子振动和分裂的电影; 研究了核聚变反应堆材料的辐射损伤; 并发现可用于分子开关的异常波动材料特性。

“在过去的四年中,我们已经证明MeV-UED可以导致超快电子衍射的范式转变,部分原因在于它能够探测各种固体和气体样品,”Wang说。“电子的高能量是我们仪器独有的,它将超快电子衍射从定性科学转变为定量科学,现在我们的实验用于验证理论预测并推动新的理论发展。”

该团队最新的研发工作致力于探索液态的科学,这是许多生物化学过程的自然环境,因此科学家们很快就能够了解生物学和化学的一些最令人抓狂的细节。

加入力量打破新的科学基础

当与实验室的X射线激光器结合使用时,新仪器的全部潜力变得更加清晰。

通过LCLS,科学家们可以在几飞秒内快速跟踪发生的分子变化。使用MeV-UED,他们可以在这些快速反应过程中发现具有无与伦比的原子分辨率的清晰分子图像。空间和时间上的非凡分辨率有助于形成快速基本过程的完整画面。

这可以通过两项化学反应研究来说明,其中环状分子在光照下会破裂 - 这一过程在我们体内维生素D的生成中起着重要作用。几年前,研究人员使用LCLS制作了一部分子电影,它首次提供了反应的运作方式。最近的一项使用MeV-UED的研究增加了额外的高分辨率细节。

SLAC新型超快电子衍射仪器示意图 - 世界上最快的“电子相机”之一 - 研究人员可以研究在不到100万亿分之一秒内发生的材料运动。通过在金属光电阴极上照射激光脉冲来产生脉冲电子束。光束通过射频场加速并由磁透镜聚焦。然后它穿过样品并散射样品的原子核和电子,在探测器上产生衍射图像。这些衍射图像随时间的变化用于重建样品内部结构的超快运动。图片来源:Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室

“LCLS和MeV-UED一起构成一站式X射线光子和电子工厂,具有共生关系,它们满足了我们科学界的广泛需求,”LCLS科学家Mike Minitti说道,他负责整合在MeV-UED仪器上进行实验的基于提议的选择过程,类似于X射线设施现有的提案审查过程。

欢迎来自世界各地的科学家

在过去几年中,当Wang的团队从头开始构建他们的仪器时,一些外部团体被邀请与SLAC团队合作,与MeV-UED一起开展研究项目。

现在,SLAC几乎为所有人开放了对该仪器的访问权限。研究人员可以提交实验建议,然后由专家委员会进行评估,排名,如果成功,给予时间进行实验。这与LCLS和其他X射线光源处理仪器访问的方式相同。

虽然用户将在未来几个月内来自全球各地,但该仪器的第一个实验是由一位从一开始就参与MeV-UED的研究人员完成的,为固体材料设计样品室。LCLS和斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)的科学家亚历山大·里德(Alexander Reid)本周正在收集数据。

“看到MeV-UED系统开始以一种可以做的态度和许多借来的部件成为科学发现的真正动力,这是非常令人欣慰的,”里德说。

Reid正在研究纳米尺度的磁性现象,如铁铂,这是一种新颖但复杂的材料,与基于云的数据存储器相关,可以提高数据存储的效率和可靠性。但在材料被广泛使用之前,研究人员首先需要了解其基本的磁性行为。

“通过LCLS,我们可以非常好地测量磁性在非常快的时间尺度上的变化。通过UED,我们可以看到材料的原子结构以及它对变化的磁性的反应,”Reid说。“将这两个测量值放在一起可以全面了解整个系统的运行情况。”

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