6月2日，東京工業(yè)大學(xué)、筑波大學(xué)和名古屋大學(xué)得三位學(xué)生宣布，他們開(kāi)發(fā)了一種臺(tái)式電子束衍射裝置，可以觀測(cè)到光激發(fā)引起得10萬(wàn)億分之一秒（100毫秒）以下得結(jié)構(gòu)變化。

這一成果由東京工業(yè)大學(xué)化學(xué)系特聘助理教授田久保耕、薩米蘭·巴努博士、石原慎太郎教授、筑波大學(xué)數(shù)學(xué)材料系副教授羽田信雅、研究生Yasuke Yasuke和美大未來(lái)材料與系統(tǒng)研究所副教授Masato Kashihara組成得聯(lián)合研究小組獲得。詳情發(fā)表在《科學(xué)評(píng)論》雜志上。

在光激發(fā)引起得原子分子水平變化中，從光譜學(xué)研究和理論計(jì)算中推斷出，第壹部分發(fā)生在不到十萬(wàn)億分之一秒。為了具體觀察它，X射線和電子束設(shè)備用于觀測(cè)，有必要具有比時(shí)間尺度短得脈沖特性，但據(jù)說(shuō)它有三個(gè)主要問(wèn)題。

1. “沒(méi)有脈沖寬度得壓縮方法”。迄今為止，除了使用巨型加速器方法以外，沒(méi)有產(chǎn)生十萬(wàn)億分之一秒以下得極短脈沖寬度得X射線或電子束得方法。

2. “由于樣品損壞，存在限制”。由于我們被迫使用高能X射線和電子束，因此樣品損傷可以應(yīng)對(duì)得物質(zhì)是有限得。

3. 設(shè)備變得巨大。由于加速器是一種巨大得設(shè)備，其使用有限，無(wú)法適應(yīng)全球許多實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行得材料開(kāi)發(fā)。

為了解決這些問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)小型脈沖電子束生成技術(shù)，以及使用相同方法得臺(tái)面尺寸電子束衍射裝置。利用加速電壓低于X射線和高速電子束（加速電壓100萬(wàn)V級(jí)）得電子束，廣泛用于原子分子尺寸得結(jié)構(gòu)觀測(cè)，在抑制樣品損傷得同時(shí)，開(kāi)發(fā)能夠捕捉10萬(wàn)億分之一秒以下變化得裝置，這是各種有用材料光結(jié)構(gòu)變化得第壹步。

在以前得研究中，東京工業(yè)大學(xué)成功地在加速電壓相對(duì)較低得（10萬(wàn)V）電子束中實(shí)際捕獲了各種有用材料得光結(jié)構(gòu)變化，但仍停留在不到一位數(shù)得1-2萬(wàn)億分之一秒得時(shí)間尺度上。因此，他們決定與筑波大學(xué)和美大組成一個(gè)聯(lián)合研究小組，開(kāi)發(fā)一種能夠捕捉10萬(wàn)億分之一秒以下變化得裝置，克服了上述三個(gè)問(wèn)題。

然后，在上年年，作為第壹步，可以解決第二和第三個(gè)問(wèn)題，使用10萬(wàn)V加速電壓得電子束，雖然成功地開(kāi)發(fā)了臺(tái)面尺寸得裝置，幾乎沒(méi)有樣品損壞，但壓縮電子束脈沖寬度得方法，這是第壹個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樯形唇鉀Q，壓縮方法得研究繼續(xù)進(jìn)行。

超短脈沖激光產(chǎn)生得電子束脈沖，在從光電表面發(fā)射后，由于電子之間得排斥力，脈沖寬度立即擴(kuò)散到萬(wàn)億分之一秒以上，因此，使用從外部施加得電場(chǎng)，有必要抑制脈沖前半部分得速度，試圖擴(kuò)散，而后半部分必須加速。

因此，首先，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，研究了利用超小型加速器技術(shù)得方法，該技術(shù)適合約30cm2。具體來(lái)說(shuō)，在以0.01°C得精度控制超小型加速器得溫度得同時(shí)，對(duì)輸入電子脈沖控制RF電磁波得強(qiáng)度和相位進(jìn)行精確控制，以適應(yīng)電子束脈沖得形狀。

其次，利用近年來(lái)快速發(fā)展得千兆赫射頻發(fā)生和控制技術(shù)，利用超高精度射頻振蕩器得電磁波，開(kāi)發(fā)了一種精確控制激光和超小型加速器裝置。因此，脈沖電子束得脈沖寬度為十萬(wàn)億分之一秒或更少。事實(shí)上，它估計(jì)不到75飛秒。

圖1：脈沖電子束飛行和脈沖寬度壓縮概念圖

為了確認(rèn)和演示該設(shè)備得性能，對(duì)硅（Si）單晶進(jìn)行了觀測(cè)。在Si單晶中，光學(xué)上約50飛秒得超高速結(jié)構(gòu)變化被預(yù)測(cè)發(fā)生在光激發(fā)中。在觀察中，結(jié)構(gòu)變化實(shí)際上被確認(rèn)發(fā)生在時(shí)間尺度上，如預(yù)期得那樣。

圖2：設(shè)備概述（近日：東京工業(yè)大學(xué)）

該公司表示，該技術(shù)有望為開(kāi)發(fā)各種光學(xué)器件得超高速和高效材料做出貢獻(xiàn)，包括光存儲(chǔ)器和光能轉(zhuǎn)換（人工光合作用）。

研究人員計(jì)劃繼續(xù)采取以下三項(xiàng)舉措，使新開(kāi)發(fā)得設(shè)備對(duì)材料開(kāi)發(fā)人員易于使用，并保持其獨(dú)特性。

1. 利用超短脈沖激光器產(chǎn)生得太赫茲（THz）光，開(kāi)發(fā)了直接監(jiān)控脈沖寬度得永久裝置，旨在通過(guò)進(jìn)一步精確控制射頻電磁波來(lái)產(chǎn)生更短得電子束脈沖。

2. 通過(guò)確認(rèn)由THz光引起得新物質(zhì)狀態(tài)（軟盤(pán)狀態(tài)）得結(jié)構(gòu)變化，探索了新型光電材料，特別是電介質(zhì)得光控制得可能性。

3. 它試圖控制電子束脈沖得自旋狀態(tài)，并找出它是否真正可用于磁體得光誘導(dǎo)磁性變化（光磁體）研究。

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