Les scientifiques de DESY ont construit une caméra électronique compacte qui peut capturer l'intérieur, dynamique ultrarapide de la matière. Le système tire de courts paquets d'électrons sur un échantillon pour prendre des instantanés de sa structure interne actuelle. Il s'agit du premier diffractomètre électronique de ce type à utiliser le rayonnement térahertz pour la compression d'impulsions. L'équipe de développeurs autour des scientifiques de DESY Dongfang Zhang et Franz Kärtner du Center for Free-Electron Laser Science CFEL a validé leur diffractomètre d'électrons ultrarapide amélioré par térahertz avec l'étude d'un échantillon de silicium et présente leurs travaux dans le premier numéro de la revue. Science ultrarapide , un nouveau titre dans le Science groupe de revues scientifiques.

La diffraction électronique est une façon d'étudier la structure interne de la matière. Cependant, il n'image pas directement la structure. Au lieu, lorsque les électrons frappent ou traversent un échantillon solide, ils sont déviés de manière systématique par les électrons du réseau interne du solide. A partir du motif de cette diffraction, enregistré sur un détecteur, la structure de réseau interne du solide peut être calculée. Pour détecter les changements dynamiques dans cette structure interne, des paquets courts d'électrons suffisamment brillants doivent être utilisés. "Plus le groupe est court, plus le temps d'exposition est rapide, " dit Zhang, qui est maintenant professeur à l'Université Jiao Tong de Shanghai. "Typiquement, la diffraction ultrarapide des électrons (UED) utilise des longueurs de paquets, ou temps d'exposition, d'une centaine de femtosecondes, ce qui correspond à 0,1 billionième de seconde."

De tels paquets d'électrons courts peuvent être produits en routine avec une haute qualité par des accélérateurs de particules de pointe. Cependant, ces machines sont souvent grandes et encombrantes, en partie à cause du rayonnement radiofréquence utilisé pour les alimenter, qui fonctionne dans la bande Gigahertz. La longueur d'onde du rayonnement définit la taille de l'ensemble de l'appareil. L'équipe DESY utilise maintenant le rayonnement térahertz à la place avec des longueurs d'onde environ cent fois plus courtes. « Cela signifie essentiellement, les composants de l'accélérateur, ici un tas de compresseur, peut être cent fois plus petit, trop, " explique Kärtner, qui est également professeur et membre du pôle d'excellence « CUI :Advanced Imaging of Matter » à l'Université de Hambourg.

Pour leur étude de preuve de principe, les scientifiques ont tiré des grappes avec environ 10, 000 électrons chacun sur un cristal de silicium qui a été chauffé par une courte impulsion laser. Les paquets étaient longs d'environ 180 femtosecondes et montrent clairement comment le réseau cristallin de l'échantillon de silicium se dilate rapidement en une picoseconde (des billions de seconde) après que le laser a frappé le cristal. "Le comportement du silicium dans ces circonstances est très connu, et nos mesures correspondent parfaitement à l'attente, valider notre dispositif Terahertz, " dit Zhang. Il estime que dans une configuration optimisée, les paquets d'électrons peuvent être compressés à nettement moins de 100 femtosecondes, permettant des instantanés encore plus rapides.

En plus de sa taille réduite, le diffractomètre électronique Terahertz présente un autre avantage qui pourrait être encore plus important pour les chercheurs :« Notre système est parfaitement synchronisé, puisque nous n'utilisons qu'un seul laser pour toutes les étapes :génération, manipuler, mesurer et comprimer les paquets d'électrons, produire le rayonnement térahertz et même chauffer l'échantillon, " explique Kärtner. La synchronisation est essentielle dans ce type d'expériences ultrarapides. Pour surveiller les changements structurels rapides au sein d'un échantillon de matière comme le silicium, les chercheurs répètent généralement l'expérience plusieurs fois tout en retardant un peu plus l'impulsion de mesure à chaque fois. Plus ce délai peut être ajusté avec précision, meilleur est le résultat. D'habitude, il doit y avoir une sorte de synchronisation entre l'impulsion laser excitante qui démarre l'expérience et l'impulsion de mesure, dans ce cas le paquet d'électrons. Si les deux, le début de l'expérience et le paquet d'électrons et sa manipulation sont déclenchés par le même laser, la synchronisation est intrinsèquement donnée.

Dans une prochaine étape, les scientifiques prévoient d'augmenter l'énergie des électrons. Une énergie plus élevée signifie que les électrons peuvent pénétrer des échantillons plus épais. La configuration du prototype utilisait des électrons de faible énergie et l'échantillon de silicium a dû être découpé à une épaisseur de seulement 35 nanomètres (millionièmes de millimètre). L'ajout d'un autre étage d'accélération pourrait donner aux électrons suffisamment d'énergie pour pénétrer des échantillons 30 fois plus épais avec une épaisseur allant jusqu'à 1 micromètre (millième de millimètre), comme l'expliquent les chercheurs. Pour des échantillons encore plus épais, Les rayons X sont normalement utilisés. Alors que la diffraction des rayons X est une technique bien établie et extrêmement réussie, les électrons n'endommagent généralement pas l'échantillon aussi rapidement que les rayons X. "L'énergie déposée est beaucoup plus faible lorsqu'on utilise des électrons, " explique Zhang. Cela pourrait s'avérer utile lors de l'étude de matériaux délicats.

Ce travail a été soutenu par le Conseil européen de la recherche dans le cadre du septième programme-cadre de l'Union européenne (FP7/2007-2013) via la bourse Synergy AXSIS (609920), Projet KA908-12/1 de la Deutsche Forschungsgemeinschaft, et le programme d'accélérateur sur puce (ACHIP) financé par la fondation Gordon et Betty Moore (GBMF4744).