Un nuevo instrumento científico en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía promete capturar algunos de los procesos más rápidos de la naturaleza. Utiliza un método conocido como difracción de electrones ultrarrápida UED y puede revelar movimientos de electrones y núcleos atómicos dentro de las moléculas que tienen lugaren menos de una décima de billonésima de segundo: información que beneficiará a la investigación innovadora en ciencia de los materiales, química y biología.
"Hemos construido uno de los mejores sistemas UED del mundo para crear nuevas oportunidades de investigación en ciencia ultrarrápida", dice Xijie Wang de SLAC, quien está a cargo del desarrollo del nuevo instrumento descrito en un artículo publicado el 24 de julio Revisión de instrumentos científicos. "Nuestro aparato entrega haces de electrones con una mejor calidad que cualquier otra máquina UED. Por ejemplo, nos permite estudiar procesos químicos en la fase gaseosa que son hasta cuatro veces más rápidos que los que podemos examinar con las tecnologías UED actuales".
La técnica complementa los estudios ultrarrápidos con el láser de rayos X de electrones libres de SLAC. Similar a la luz de rayos X, los electrones altamente energéticos pueden tomar instantáneas del interior de los materiales a medida que pasan a través de ellos. Sin embargo, los electrones interactúan de manera diferente con los materiales y "ver "cosas diferentes. Ambos métodos combinados dibujan una imagen más completa que ayudará a los investigadores a comprender mejor y posiblemente controlar procesos ultrarrápidos importantes en sistemas complejos que van desde dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos hasta reacciones químicas.
'Ver' Procesos ultrarrápidos con electrones
El rendimiento superior del nuevo sistema UED se debe a una "pistola de electrones" muy estable desarrollada originalmente para la fuente de luz coherente Linac de láser de rayos X de SLAC LCLS, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias de DOE. Esta fuente de electrones produce mucha energía.electrones, empaquetados en racimos extremadamente cortos. Escupía 120 de estos racimos cada segundo, generando un poderoso haz de electrones que los investigadores usan para sondear objetos en el interior.
¿Pero cómo pueden los científicos echar un vistazo al interior de los materiales con partículas como los electrones?
El método funciona porque las partículas tienen una segunda naturaleza: también se comportan como ondas. Cuando las ondas de electrones pasan a través de una muestra, se dispersan de los núcleos atómicos y electrones de la muestra. Las ondas dispersas luego se combinan para formar un llamado patrón de difracción elegidoarriba por un detector. Todo el aparato funciona como una cámara de alta velocidad, capturando las diferencias en los patrones de difracción con el tiempo que los científicos usan para reconstruir la estructura interna de la muestra y cómo cambia.
Debido a que los racimos de electrones en el instrumento UED de SLAC son extremadamente cortos, revelan cambios que ocurren en menos de 100 cuatrillonésimas de segundo, o 100 femtosegundos, por ejemplo en respuesta a pulsos láser ultracortos.
"UED ha estado en desarrollo durante los últimos 10 a 15 años, pero las fuerzas repulsivas entre los electrones en el haz de electrones limitaron la resolución temporal de los experimentos anteriores", dice el primer autor del artículo Stephen Weathersby, gerente de instalaciones de la Estructura del Acelerador de SLACÁrea de prueba ASTA, donde está instalada la máquina UED. "La experiencia de LCLS en tecnología de pistola electrónica y sistemas láser ultrarrápidos le da a nuestro sistema el rendimiento y la estabilidad necesarios para estudiar procesos mucho más rápidos".
Electrones más rayos X para ciencia ultrarrápida
Los electrones se comportan de manera similar a los rayos X en la forma en que exploran los fenómenos rápidos en la naturaleza. Los electrones se dispersan tanto de los electrones como de los núcleos atómicos en los materiales. Los rayos X, por otro lado, interactúan solo con los electrones. Por lo tanto, los electrones y X-Los estudios de rayos de cambios estructurales muy rápidos se complementan entre sí.
El equipo liderado por SLAC ya ha comenzado a combinar ambos enfoques para comprender mejor el vínculo entre el comportamiento magnético de ciertos materiales y sus propiedades estructurales en estudios que podrían ayudar a desarrollar dispositivos de almacenamiento de datos de próxima generación.
Los electrones también proporcionan un camino hacia estudios que son muy difíciles de realizar con rayos X.
"Los electrones interactúan con los materiales con mucha más fuerza que los rayos X", dice Renkai Li de SLAC, autor principal del artículo. "Pudimos analizar muestras como películas muy delgadas cuyas señales de rayos X serían muy débiles".
Por ejemplo, los investigadores estudiaron una sola capa atómica de un material que es interesante para futuros dispositivos electrónicos.
"Otro caso interesante son las muestras de fase gaseosa", dice Li. "Debido a la longitud de onda de electrones casi 1000 veces más corta en comparación con los rayos X, UED puede ver detalles estructurales mucho más finos. Podemos ver cómo los átomos enlas moléculas se mueven con UED, que es un paso importante para hacer películas moleculares de reacciones químicas ultrarrápidas "
Agregando 'Ultrasmall' a la mezcla
Los investigadores ya han trazado los siguientes pasos para mejorar aún más el instrumento UED.
Planean hacerlo aún más rápido, correspondiente a una cámara con una velocidad de obturación cercana a 10 femtosegundos, y eventualmente reducirán el tamaño del haz de electrones de sus 100 micras actuales, el diámetro de un cabello humano promedio,- por debajo de un micrón. Estos avances podrían usarse para investigar cómo los movimientos ultrarrápidos en pequeñas regiones de materiales están relacionados con el magnetismo y otras propiedades del material.
El objetivo final de los científicos es convertir el UED en un microscopio electrónico ultrarrápido, un instrumento que mostraría detalles demasiado pequeños para ser vistos con un microscopio óptico. Los microscopios electrónicos existentes ya pueden capturar eventos en 10 mil millonésimas de segundo, pero conEl instrumento de SLAC, los investigadores esperan impulsar el límite de velocidad a procesos que son 1,000 veces más rápidos
"La microscopía electrónica ultrarrápida reunirá a dos comunidades independientes establecidas: investigadores que trabajan en microscopía electrónica y en ciencia ultrarrápida de rayos X", dice el coautor Hermann Dürr de SLAC, uno de los coordinadores científicos del proyecto. "generar posibilidades imprevistas para la ciencia ultrarrápida con electrones, similar a las grandes cosas que vimos que sucedieron hace unos años en LCLS, cuando la ciencia láser y la ciencia de rayos X se fusionaron en el nuevo campo de la ciencia ultrarrápida de rayos X ".
Además de los investigadores de SLAC y la Universidad de Stanford, el equipo de investigación incluyó científicos de la Universidad de Nebraska, Lincoln y la Universidad de Duisburg-Essen en Alemania.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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