内布拉斯加大学林肯分校的斯科特·施拉格 被高强度激光击中的紧密聚束的电子(左)和松散聚束的电子(右)
内布拉斯加州的科尔顿·弗鲁林(Colton Fruhling)的新研究表明，相对于激光束，电子聚束的大小可以帮助研究人员确定超短电子聚束的持续时间，这是准确捕捉光合作用等光化学反应动力学的关键一步
学分:考顿·弗鲁林/斯科特·施拉格|大学通信 捕捉光合作用和其他分子体操动作的画面意味着达到一个让快速看起来非常非常慢的快门速度——如此之快，以至于物理学家们现在正朝着这个速度努力
这里存在另一个问题:即使他们管理它，他们也可能不知道
物理学家不能准确地观察运动中的分子，并将他们捕捉到的东西与他们看到的东西进行比较，就像他们不能用宏观场景的数码照片进行比较一样
当研究在如此短的时间框架内变形、断裂和旋转的分子时，这就是生命，它们使秒看起来像几十亿年
但是内布拉斯加大学林肯分校的考顿·弗鲁林和他在极限光实验室的同事们已经提出了第二个问题的解决方案，无论他们的物理学家同事如何解决第一个问题，这个方案都是至关重要的
第一种方法通常包括向分子发射一束电子——通常是用激光照射分子以激发光化学反应——然后测量这些电子从分子中衍射的方式
随着理论和数学的积累，这些衍射图案有助于辨别构成分子的原子位置和键的长度，基本上捕捉到了光化学反应的框架，这些框架可以缝合在一起形成一个伪薄膜
相应的电子束的持续时间基本上相当于快门速度的激光物理量
就像数码相机一样，快门速度至少需要与拍摄对象的速度相匹配，才能以真正的保真度拍摄
并且知道快门速度对于确认结果帧的合法性是至关重要的
当感兴趣的化学反应仅在几飞秒甚至几阿秒内发生时，这就变得很困难了
一飞秒相当于一秒，就像一秒相当于3100万年一样；对于阿秒来说，大约是310亿年，大约是宇宙估计年龄的两倍
物理学家已经成功地发明了测量电子束持续时间的方法，这些电子束持续时间只有几飞秒，但不是阿秒——许多化学反应发生的速度是一眨眼你就错过了100亿次
“所以你需要有一种方法来测量你是在(以)阿秒为单位运行的，”一位有望在2021年春天毕业的博士生弗鲁林说
“你可以看到相机快门移动的速度，因为你正在观看它
我们的眼睛够快了
但是你看不到阿秒
“人们想要这些阿秒的电子束源，但他们也需要确定它们的特性，并确定它们实际上是阿秒的，这样我们才能相信由此产生的科学
" 这是一个动画，说明了相干(左)和非相干(右)的原理，因为它们与弗鲁林对电子群聚的研究有关
在左边，一组紧密的岩石被扔进池塘，产生一系列独特的连贯的波浪
在右边，岩石分散在一个更大的区域，产生一系列相互干扰的不连贯的波
学分:内布拉斯加大学林肯分校 弗鲁林最终认识到了汤姆逊散射形式的潜在解决方案，这是一种极光实验室已经研究多年的现象
在这种现象的线性版本中，一个被激光击中的电子最终会发出与激光相同频率或颜色的光
在非线性版本中，激光足够强，以至于电子开始以接近光速的复杂轨迹振荡
这使得电子不仅发出原始颜色，还发出多种波长或宽带辐射
当弗鲁林开始考虑如何使用它时，他正在编写一个模型来模拟这个非线性版本
他知道，一些用来测量飞秒束的方法依赖于另一个可测量的波长特性——相干性——将根据电子束本身的大小而变化
相干性基本上描述了波的频率、形状和其他特征相互同步的程度
正是相干性产生了聚焦的窄光束，并将其与其他光源的非相干波长区分开来
与激光类似，波长比电子束长的会相干发射，而波长比电子束短的会非相干发射
确定电子束的大小——通过关联，它的持续时间，或快门速度——就变成了识别区分相干和非相干光波的大小阈值的问题
不幸的是，线性汤姆逊散射不能产生正确的频率范围来测量研究阿秒反应所需的超短但中速的电子束
但是如果弗劳林的模型是正确的，非线性、宽带散射——一种可以由超强、精确校准的激光产生的散射——确实会产生该范围内的频率
如果是这样，他说，这将使它特别适合测量阿秒束的持续时间
“这是我所知道的唯一能做到这一点的方法，”弗鲁林说，他和唐纳德·乌姆施塔特和格里戈里·戈洛文在《物理评论加速器和束流》杂志上报道了这个结论
弗鲁林并不是轻而易举地达到这个里程碑的，他花了三年多的时间编写代码，来模拟一个5000电子束中每个电子的轨迹和相干效应——这种特异性是他遇到的任何对手都无法比拟的
他还最终将代码翻译成三种编程语言，同时优化接口，使其能够在尽可能广泛的条件下使用
现在，他只需等待物理学家同事在实验室测试他的说法，并希望通过实际产生仅持续阿秒的电子束来验证它
“在实验完成之前，我不能自吹自擂，”弗鲁林说
“但我认为这可能非常有用
"
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