用1s的千萬分之一，給化學分子拍部電影

知識 11-25

低能耗的微型電子槍有望走進千家萬戶

超短波的電子和X光脈衝可以用於多種科學影像，但在不久之前這還是一項相當昂貴的技術：首先要有一個汽車大小的「電子槍」，將電子脈衝射進一個(耗資百萬美元、長達數公里的)環形加速器。電子被加速到一定程度之後，穿過被稱為「波盪器」的兩排磁鐵之間的縫隙，就會轉變成X光。

在去年的《自然·通訊》上，本次研究的MIT和漢堡大學研究組就發表了一種小型「直線加速器」的原型機，可以和現有的巨型環形加速器起到同樣的作用。這種加速器和剛剛發表的新型「電子槍」結合到一起，就能產生超短波X光，為各種實驗室提供X光成像。

儘管論文中的電子脈衝持續時間已經達到了百飛秒級別(1s的千萬億分之一)，也就是現有電子槍的最高水平，但是作者表示這個設計可以做到僅僅持續一飛秒。而持續一飛秒的電子脈衝可以生成阿托秒(一飛秒的千分之一)級別的X光脈衝，足以對正在發生的細胞生化反應進行實時成像。

「我們的裝置可以為化學家、物理學家和生物學家提供X光或者電子束來進行研究。這些電子脈衝的持續時間太短了，你甚至可以給一個正在反應的分子里的電子拍一張定格照片。」另外，利用電子衍射成像技術，物理學家和化學家們還可以探測材料的物相變化，例如從導體變為絕緣體或者分子之間化學鍵的形成和斷裂。

這次發明的新型電子槍事實上是一種改造後的RF槍。RF槍使用無線電頻率的電磁波來加速電子，而新式電子槍則使用介於微波和可見光之間的太赫頻率(10^12Hz)。

用1s的千萬分之一，給化學分子拍部電影

如圖所示，這個火柴盒大小的電子槍裝置由兩塊銅片組成，銅片中間僅有75微米的縫隙，而外緣相隔6毫米。其中下方銅板的中央被挖出一個洞，安上了一小片30納米厚的石英片。一束紫外線激光從底下射向石英片的最薄處，石英片上表面的自由電子發生振蕩。

與此同時，一個垂直於紫外線激光的太赫電磁波脈衝，穿過了兩塊銅片之間的縫隙。大家可以認為電磁波包含了相互垂直的電場和磁場。電磁波脈衝被極化之後，其中的電場就會將石英片表面的電子向上方加速。

這個系統的關鍵就在於銅片間距的逐漸縮小，將太赫電磁脈衝限制在了比自身波長更窄的75微米縫隙之中。「這就是我們的一點微小工作，一般的光學系統是做不到的。這種限制提高了能量密度，也就提高了加速電子的能力。」

得益於加速能力的提高，能量比無線電波低得多的太赫電磁脈衝現在也可以用來加速電子了。更重要的是，加上一些光學原件之後，同一束激光可以同時生成紫外線和太赫電磁波。

來自MIT、德國電子加速器研究所和漢堡大學的科學家們在Optica上發表了這項新技術。

[VC via EurekAlert]

TAG: |

您可能感興趣