新規材料により量子材料の超高速電子回折プローブが可能に

量子材料は、多くの珍しい電子的、磁気的、光学的特性を備えており、将来のコンピューティングおよびエネルギー技術での使用の主な候補となっています。それらの特性は、電子と原子核の複雑な相互作用から生じます。研究者は、X 線または電子ビームの短パルスを使用して、これらの相互作用が起こるのを観察できます。これらのパルスの持続時間は 1 兆分の 1 秒未満です。

研究者らは、細かい電子プローブを放出する新しい材料を使用して、量子材料の小さくて薄い部分を非常に高い分解能で探査する超高速電子ビーム技術を開発した。

科学者はこれまでのところ、多くの新しく出現した量子材料を大きな結晶として作成することはできません。その代わりに、これらの材料は人間の髪の毛の幅のわずか 10 分の 1 の結晶を形成します。電子ビームの品質によって、これらのビームが焦点を合わせることができる小さな領域が制限されることが多いため、超高速電子ビーム加速器を使用してこれらの材料を調査する研究者にとって、これは課題となります。

この研究では、研究者らは特殊な電子源を使用して、電子ビームの品質を大幅に向上させました。これにより、幅わずか数ミクロンのサンプルや、1 兆分の 1 秒未満で行われるプロセスの鮮明な画像が可能になります。この研究は、量子材料が原子空間および時間スケールでどのように機能するかについてのより明確なイメージと理解につながる可能性があります。

これらの加速器は通常、光電子放出と呼ばれるプロセスを介して超高速電子パルスを生成します。このプロセスでは、レーザー光が材料（通常は銅などの単純な金属）から電子を叩き出します。レーザーパルスの持続時間が短い場合、放出される電子ビームも短くなります。一般的な光放出源の課題の 1 つは、放出された電子がすべて同じ方向に進むわけではないことです。この放射角度の広がりにより、最終的に研究者が電子ビームを小さなスポットに集束させる能力が制限される可能性があります。

この研究では、研究者らは、放射角度の広がりがはるかに小さい、多くの電子を生成する高度な自社成長光電子放出材料を使用して、光電子放出ベースの電子加速器を開発しました。この線源を精密な電子集束光学系と組み合わせて使用​​し、研究者らは原理実証の超高速電子回折実験を実施し、サイズがわずか数ミクロンという小さなサンプル内の微妙な原子の詳細を分解できる能力を示しました。

この研究結果は、ジャーナル「Structural Dynamics」に掲載されています。

詳細情報: WH Li et al、低エミッタンス半導体光電陰極を使用したキロ電子ボルトの超高速電子顕微回折装置、Structural Dynamics (2022)。 DOI: 10.1063/4.0000138

米国エネルギー省 提供

（リンク先:https://phys.org/news/2023-09-material-enables-ultrafast-electron-diffraction.amp）