保罗·舍勒研究所 克里斯蒂安·斯韦蒂纳在x光自由电子激光开关的实验站
荣誉:保罗·舍勒研究所/马希尔·丹贝戈维奇 保罗·舍勒研究所的研究人员首次成功地在瑞士自由电子激光中用超快x光的瞬态光栅光谱学方法观察了材料内部
PSI的实验是观察原子世界过程的一个里程碑
研究人员今天将他们的研究成果发表在《自然光子学》杂志上
微芯片上的结构变得越来越小；硬盘把整个百科全书写在指甲大小的磁盘上
许多技术目前正在突破经典物理学的界限
但是在纳米世界，其他定律也适用——量子物理定律
还有许多未回答的问题:热量实际上是如何在纳米尺度上穿过半导体材料的？电脑硬盘中个别位被磁化后到底会发生什么，我们能写多快？对于这些和更多的问题仍然没有答案，主要是因为目前的实验技术不能足够深入和精确地观察材料，并且因为对于传统的实验方法来说，一些过程发生得太快了
但是如果我们想推进技术小型化，我们需要在原子水平上理解这些现象 各种方法的混合产生了不同 由于防扩散安全倡议研究员克里斯蒂安·斯韦蒂纳与洛桑EPFL大学的杰里米·鲁塞尔和马耶德·切尔吉、美国麻省理工学院的基思·纳尔逊、意大利费米自由电子实验室的克劳迪奥·马斯乔维奇奥以及其他国际合作伙伴共同设计的新方法，现在这一问题正得到新的推动
“虽然这种方法实际上并不新颖，但它已经在光学领域应用了几十年，并取得了非凡的成果，”斯韦蒂纳说，她目前正在PSI的瑞士自由电子激光光束线上建立新的富尔卡实验站
他说，特别之处在于结合和扩展了非线性激光物理的已知方法，但使用了新的x光自由电子激光开关的x光光
这种组合既新颖又令人惊讶
过去，世界各地的许多团体曾做过几次尝试，但都没有成功
甚至有人质疑这种新颖的实验能否在高能x光下成功进行
PSI的团队已经证明:是的，这是可以做到的
其核心是一种叫做瞬态光栅光谱学的方法
光谱学是物理学家用来获取材料信息的一套成熟的方法，例如材料中的化学元素和化合物，材料的磁性，以及原子如何在材料中运动
在称为瞬态光栅光谱学的特定变体中，样品被两个激光束轰击，产生干涉图案
第三束激光在这个图案上衍射，产生第四束包含样品性质信息的光束
从表面下看 术语“激光”总是用来描述可见或红外波长范围内的光
因此，激光只能以几百纳米的分辨率观察样品内部
除此之外，还需要x光
PSI的研究人员现在第一次成功地利用能量为7的非常硬的x光，使x光激光能够获得瞬态光栅光谱
1千电子伏，相当于波长0
17纳米，大约相当于中等大小原子的直径
优点:首次有可能以低至单个原子的分辨率以及几分之一飞秒(十亿分之一秒的百万分之一)的超短曝光时间观察材料内部，这甚至允许记录原子过程的视频
此外，该方法是元素选择性的，这意味着人们可以选择性地测量物质混合物中的特定化学元素
该方法补充了诸如非弹性中子和X射线散射等成熟技术，在时间和能量方面增加了更好的分辨率
实际上，实验装置是这样的:瑞士自由电子激光器发出直径为0的光束
2毫米，由超短的x光脉冲组成，投射到一个由钻石制成的透射相位光栅上，在显微镜下看起来像一个精细的梳子
使用钻石是因为它甚至不会被高能x光破坏
它是由PSI的微纳米技术实验室的克里斯蒂安·大卫特别为这个实验制作的
梳子齿之间的间距是两微米，但是如果需要的话，可以降到纳米
它们将x光束分解成细小的部分光束，这些光束在光栅后面重叠，从而产生了短暂的光栅衍射图案
在光栅后面，可以观察到光栅的一对一的图像，以规则的间隔重复，即所谓的塔尔博特平面
如果你把一个样品放在其中一个平面上，其中的一些原子就会被激发，就好像它位于光栅的位置一样
只有在这种周期性调制中“看到”x光的原子被激发，而没有经历辐射的相邻原子仍处于基态
这是该方法的主要吸引力，因为它使研究人员能够选择性地激发感兴趣的特征领域
带闪光灯的照相机 然而，仅仅激发原子并不能提供任何信息
为此，需要一种带闪光灯的照相机来短暂曝光样品
在瞬态光栅光谱学中，这是通过一个激光器来完成的，该激光器以一个角度瞄准样品，并以与来自瑞士自由电子激光的x光束最小的时间延迟来拍摄图像
信息从样本的背面出来，并到达记录图像的检测器
最初的实验显示了这种方法的一个优点:它不会产生任何不想要的背景信号
“如果原子被激发，你会看到一个信号；“如果他们不兴奋，你什么也看不到，”斯维蒂娜解释道
当测量仅发出微弱信号的样品时，这是非常有价值的，并且在背景遮蔽信号的情况下，用其他技术是看不到这些信号的
克里斯蒂安·斯韦蒂纳和他的团队成功地完成了其他研究人员没有完成的工作，这要归功于主角们的创造力和耐心
这位物理学家说:“我们一步一步地前进，不想一蹴而就。”
五年前，研究人员开始在费米自由电子激光实验室用光学光进行实验，并将其扩展到极紫外光，然后在磅/平方英寸进行x光实验
在这里，他们没有马上检查“真正的”样品，而是使用金箔来测试能量是否足以激发原子
他们成功地将塔尔博特平面上的格子图案烧成了箔片
斯维蒂娜:“那时我们知道:如果我们甚至能打印出结构，我们就能以更低的强度激发原子
“这为现在成功的实验扫清了道路
使用锗酸铋样品，研究人员能够证明该方法满足了他们在空间和时间分辨率、测量速度和元素选择性方面的所有希望
下一个目标:用x光检查一切 然而，研究人员还没有迈出最后一步
到目前为止，只有激发样本的光束是x光光束
相机的闪光灯还是来自激光，所以是可见光
如果那也是一束x光，那就达到顶峰了
斯维蒂娜:“我们想在今年迈出最后一步
“他们还得到了额外的支持:SLAC的LCLS和脉冲研究所(都在加州的斯坦福大学)、日本的RIKEN SPring-8中心和德国的DESY FLASH都加入了合作团队
研究人员今天将他们的结果发表在《自然光子学》杂志上
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