Kompakte Elektronen-Kamera zeigt ultraschnelle Dynamik in Materie

Die Elektronen­diffraktion ist ein möglicher Weg, die innere Struktur der Materie zu unter­suchen. Allerdings bildet sie die Struktur nicht direkt ab. Statt­dessen werden die Elektronen auf eine systematische Weise gestreut, wenn sie die Oberfläche der Probe treffen oder durch sie hindurch­fliegen. Es entsteht ein charakte­ris­tisches Streumuster auf dem Detektor, aus dem sich die innere Struktur der Probe berechnen lässt. Um dynamische Veränderungen in dieser Struktur zu beobachten, müssen die Elektronen­pulse ausreichend kurz und intensiv sein. „Je kürzer der Puls, desto kürzer die Belichtungs­zeit“, erläutert Dongfang Zhang vom DESY, der inzwischen an der Jia-Tong-Universität in Shanghai arbeitet. Typischer­weise liegt die Pulslänge und damit die Belichtungs­zeit bei der ultra­schnellen Elektronen­diffraktion bei etwa hundert Femto­sekunden.

Solche kurzen Elektronen­pakete lassen sich in hoher Qualität mit moderner Teilchen­beschleuniger­technik erzeugen. Allerdings sind diese Anlagen oft sehr groß, was zum Teil an der Art der Strahlung liegt, mit der diese Maschinen angetrieben werden. Sie gehört in der Regel in den Bereich der Radiowellen im Gigahertz-Bereich. Die Wellenlänge der Strahlung bestimmt die Größe vieler Komponenten, die darauf exakt abgestimmt sein müssen. Ein DESY-Team um Zhang und Franz Kärtner nutzt jetzt für ein experi­men­telles Kompakt-Diffrakto­meter Terahertz-Strahlung mit hundertmal kürzerer Wellenlänge. „Das bedeutet, dass die Beschleuniger­komponenten wie hier der Puls­kompressor auch hundertmal kleiner sein können“, erläutert Kärtner.

Für ihre Machbarkeits­studie schossen die Forscher mit ihrer Anlage Pakete von je etwa 10.000 Elektronen auf einen dünnen Silizium­kristall, der durch einen kurzen Laserblitz aufgeheizt wurde. Die Elektronen­pakete waren 180 Femto­sekunden lang und zeigten deutlich, wie sich das Kristall­gitter der Silizium­probe innerhalb rund einer Piko­sekunde nach dem Laser­beschuss ausdehnte. „Das Verhalten von Silizium unter diesen Bedingungen ist sehr gut bekannt, und unsere Messungen passen perfekt zur Erwartung, was die korrekte Funktion unserer Anlage belegt“, sagt Zhang. Er geht davon aus, dass sich in einem optimierten Aufbau die Elektronen­pakete auf deutlich unter hundert Femto­sekunden komprimieren lassen, was noch erheblich kürzere Schnapp­schüsse ermöglicht.

Abgesehen von den kompakten Abmessungen hat das Terahertz-Elektronen­diffrakto­meter einen weiteren Vorteil, der für bestimmte Unter­suchungen sogar noch bedeutender sein könnte. „Unser System ist perfekt synchro­nisiert, denn wir benutzen denselben Laser für alle Schritte: Erzeugen, Manipu­lieren, Messen und Komprimieren der Elektronen­pakete ebenso wie Erzeugen der Terahertz-Strahlung und sogar zum Aufheizen der Probe“, erläutert Kärtner. Die Synchro­n­sierung ist ein Schlüssel­element dieser Art von Hoch­ge­schwindig­keits­experimenten. Um die schnellen Struktur­änderungen in einer Material­probe wie etwa Silizium zu beobachten, wird das Experiment üblicherweise viele Male wiederholt, wobei der Elektronen­puls immer stärker verzögert wird, um den zeit­lichen Verlauf der Dynamik abzubilden. Je genauer sich diese Verzögerung kontrol­lieren lässt, umso exakter wird das Ergebnis. Üblicher­weise muss es dafür eine Form von externer Synchro­ni­sierung zwischen dem Laserblitz, mit dem das Experiment beginnt, und dem Messpuls geben, in diesem Fall dem Elektronen­paket. Wenn sowohl der Beginn des Experiments als auch das Elektronen­paket von demselben Laser ausgelöst werden, sind beide bereits perfekt synchronisiert.

Im nächsten Schritt planen die Wissen­schaftler, die Energie der Elektronen zu erhöhen, so dass sie dickere Proben durch­leuchten können. Das Pilot­experiment verwendete Elektronen mit vergleichs­weise niedriger Energie, so dass die Silizium­probe zu einer hauch­dünnen Scheibe mit lediglich 35 Nano­metern Dicke geschnitten werden musste. Mit einem zusätz­lichen Beschleu­nigungs­modul lassen sich die Elektronen auf eine ausreichende Energie bringen, um noch dreißig Mal dickere Proben von etwa einem Mikro­meter zu durch­leuchten. Bei noch dickeren Proben kommt üblicher­weise Röntgen­strahlung zum Einsatz. Die Röntgen­beugung ist eine gut etablierte und extrem erfolgreiche Methode zur Unter­suchung der inneren Struktur von Kristallen. Allerdings beschädigen Elektronen­strahlen die Probe nicht so schnell wie Röntgen­strahlen. „Die deponierte Energie ist bei der Verwendung von Elektronen viel niedriger“, betont Zhang. Das könnte sich als nützlich bei der Unter­suchung empfind­licher Proben erweisen.

DESY / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Zhang et al.: THz-Enhanced DC Ultrafast Electron Diffractometer, Ultrafast Sci. 2021, 9848526 (2021); DOI: 10.34133/2021/9848526
• Ultra Fast Optics and X-rays, Center for Free-Electron Laser Science, Deutsches Elektronen-Synchrotron, Hamburg