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研究人员使用LCLS进行“增压”原子
发布日期:2018-05-18

新发表的一项研究结果可能会帮助科学家故意引发研究物质极端状态所需的高水平损害。 /

美国加利福尼亚州门洛帕克市 - 在美国能源部(DOE)SLAC国家加速器实验室使用利纳克相干光源(LCLS)的研究人员已经找到了一种方法,可以从氙原子中去除大部分电子,形成“超级电荷”,强烈阳性以前认为太低的能量状态。

这些违背期望和理论的研究结果可能会帮助科学家故意引发研究物质极端状态所需的高水平的损害,或者避免他们试图成像的样品受到损害。本周在Nature Photonics上报告了结果。

尽管LCLS的强大X射线不可避免地破坏了正在研究的样本,但延迟损伤 - 即使是十亿分之一秒的百万分之一 - 在生成详细图像和其他数据方面证明是至关重要的。

“我们的结果为最大限度地减少样品中电子损失提供了一个”配方“,”德国汉堡自由电子激光科学中心Max Planck高级研究小组的研究员Daniel Rolles说,他领导实验。 “例如,研究人员可以使用我们的研究结果,如果他们有兴趣创造一个非常高电荷的等离子体。或者,如果增压状态不是研究的一部分,他们可以使用我们的发现来了解X射线能量应该避免什么。“

正如拉伸的吉他弦可以振动并保持音符一样,对激光特性的特定调整可能会导致原子和分子发生共振。共振激发原子并使它们摆脱电子,否则将需要更高的能量。

虽然众所周知,触发原子中的共振会影响它们的带电状态,“Rolls说:”对于任何人来说,当它们被LCLS等来源离子化时,重原子会产生什么样的戏剧性效应,这一点并不清楚。 “这是用单个X射线脉冲观察到的最高电荷状态,这表明现有的理论方法必须修改。”

该团队以前曾在德国使用激光设备将各种原子和分子暴露于紫外光脉冲,并且渴望使用更高能量的LCLS进行进一步研究。

马克斯普朗克高级研究小组的Benedikt Rudek说:“LCLS实验将带电状态推到了一个前所未有的和意想不到的极限 - 使每个原子吸收的预期能量增加了一倍多,并且弹出了数十个电子。

除了在实验中创建或避免增压等离子体状态外,Rolles还表示,由吸收X射线能量引起的共振引起的“剧烈变化”可能有一天会被用来改善LCLS实验中捕获的图像的分辨率。

“例如,大多数生物样品都含有一些沉重的原子,”Rolles说,并且在一些实验中,避免共振触发可能会阻止对这些原子的快速破坏。

堪萨斯州立大学的Art Rudenko表示,研究人员此后进行了类似的LCLS实验,涉及重元素氪和含有其他重原子的分子系统,他领导了最近的一项后续实验。

德国Max Planck高级研究小组建立了一个先进的实验站,使团队的精确测量成为可能。该设备总重约11吨,已装运40箱装运到SLAC。它在LCLS工作了三年,在原子和分子物理学,材料科学和生物成像等20多个实验中使用。

“在一个月内在LCLS上重新组装这台机器,然后进行试运行并在7天内完成科学实验,这绝对是令人难以置信的成就,”Rolles说。

研究团队包括来自19个研究中心的科学家,其中包括:马克斯普朗克高级研究组和马克斯普朗克研究所,德国PNSensor GmbH,柏林技术大学,汉堡大学Jülich研究中心和德国Physikalisch-Technische Bundesanstalt; SLAC和西密歇根大学以及美国堪萨斯州立大学。法国皮埃尔和玛丽居里大学和国家科学研究中心;日本的京都和东北大学。

LCLS得到美国能源部科学办公室的支持。

来源:SLAC国家加速器实验室

图片:Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室; Brad Plummer / SLAC国家加速器实验室