科学家将超快电子衍射分辨率提高至50飞秒

由上海交通大学物理与天文学院张杰院士领衔的课题组，与上海科技大学万伟时教授合作，将加速器领域的双偏转消色差技术与激光领域的啁啾脉冲放大和压缩技术相结合，在世界上首次实现了无时间抖动的电子束脉宽压缩， 并将超快电子衍射的时间分辨率提高到50飞秒以上(1飞秒= 0.000000000001秒)，将美国同行保持多年的分辨率世界纪录提高了近三倍。 相关的研究论文最近发表在《物理评论快报》上。

拍摄超高时间分辨率的原子薄膜是科学家的梦想，而超快电子衍射一直被认为是实现这一梦想的途径之一。

同步辐射装置中常用的DBA系统(包括两个偏转磁铁和三个四极磁铁)可以合理地与线性接头结合，实现从电子源到样品的同步传输。研究人员通过合理选择DBA和直线节点参数，使整个系统成为一个时间色散系统，即电子的飞行时间不依赖于电子的能量，不受微波振幅抖动和相位噪声的影响。

研究人员在实验中通过精确调节电子束能量以获得等时传输，并调节空间电荷力的强度以产生与DBA时间色散匹配的电子束能量啁啾，从而获得超短超稳电子束。对1小时数据进行平均后，包括电子束脉冲宽度和时间抖动在内的卷积结果为40飞秒，首次突破了50飞秒的分辨率限制。

为了验证上述高时间分辨率，研究人员利用上海交通大学物理与天文学院钱东教授的研究小组提供的高质量单晶铋样品进行了原理验证实验。在实验中，除了观察到代表A1g模式(约2.6太赫兹)的布拉格衍射光斑强度振荡，由于更高的时间分辨率和更高的电子亮度，研究人员还观察到扩散散射信号的振荡，该信号携带关于能量如何从电子转移到晶格以及声子如何相互作用的信息。

值得指出的是，对于X射线*电子激光器，它受到电子束和激光时间抖动的限制。目前，主要的国际设备仍然需要校正时间抖动或X射线的缓慢漂移来获得类似的振荡。然而，该实验受益于所构建的没有时间分散的系统，并且不需要校正时间抖动或时间漂移。

该向导说，在分辨率超过50飞秒之后，研究人员正在进一步优化该设施中的各种子系统，期望在不久的将来获得更高的时间分辨率，并有望使许多以前被认为无法区分的超快物理或化学过程成为可能。

据悉，上海交通大学的兆伏超快电子衍射与成像系统已获得国家自然科学基金委国家重大研究仪器设备开发项目的资助。它已经完成，并向国内外超快科学用户开放。论文的第一作者是博士生齐峰峰。

相关论文资料:https://journals . APS . org/PRL/abstract/10.1103/phys revlet . 124.134803