研究人员首次演示硬X射线瞬态光栅光谱学 实现纳米尺度的传输

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瞬态光栅光谱学是一种优雅的方法,它使用两个激光脉冲来激活介质,通过创建由热、电子、磁甚至结构激励的平行条纹构成的干涉图样。通过在瞬态光栅上绕射第三个延时探测光束,可以测量模式的调制深度及其演化。


当初始激发通过材料时,调制深度衰减。条纹之间的距离是由用来制造光栅的脉冲的波长决定的,在光谱的可见紫外部分,大约是几百纳米。

研究人员首次演示硬X射线瞬态光栅光谱学 实现纳米尺度的传输

瞬态光栅光谱学是一种强有力的工具,用于监测材料的输运特性,无论是热,电或磁通量,或结构。在设备小型化的时代,达到纳米级传输的需求更加迫切。在纳米尺度上的输运性质是完全未知的,预计将与微米或更大的尺度有很大的不同。这就要求使用短波长辐射,特别是x射线。主要的挑战是通过交叉两束x射线来产生一个纳米步长的光栅。


现在,一个国际科学家团队已经利用所谓的塔尔博特效应(Talbot effect)来产生亚纳米波长(0.17 nm)的硬X射线束的干涉图样。合作包括EPFL的LSU和LACUS(Majed Chergui),PSI(Cris Svetina),MIT(Keith Nelson),里雅斯特(Claudio Masciovecchio)的FERMI自由电子激光,Jean-Monnet-Saint-Étienne大学(杰里米·鲁克塞尔(JérémyRouxel)和位于佛罗伦萨的欧洲非线性光谱实验室(Renato Torre)等。科学家在PSI使用了瑞士X射线自由电子激光(SwissFEL)。

研究人员首次演示硬X射线瞬态光栅光谱学 实现纳米尺度的传输

X射线的脉冲光束入射在钻石罩(蓝色)上,在样品上产生激发光栅。激光束(右侧的蓝色细线)被样品中的瞬变光栅衍射,并且衍射束(黄色的线)相对于初始X射线束脉冲作为时间的函数被记录下来。


结果发表在《自然·光子学》上,显示了瞬态激发光栅在几十飞秒到皮秒的时间内衰减,揭示了材料的声子响应。研究人员使用400纳米的光脉冲探测光栅。这是硬x射线瞬态光栅光谱学的首次演示,为激动人心和新颖的发展开辟了道路。


Majed Chergui说,硬x射线瞬态光栅特别适合于研究块体和纳米结构材料、无序材料甚至液体中的纳米尺度传输现象。未来的实验可以打开材料表征的应用领域,特别是纳米电子、纳米光学和纳米磁性。


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