그라츠 공과대학교

과제

재료 공학에서 효소 역학에 이르는 분야의 연구자들은 보다 뛰어난 공간 및 시간 해상도로 액체 및 고체 샘플을 조사할 수 있는 장비를 원합니다. 레이저 광학 방법은 펨토초(fs) 시간 척도에 쉽게 도달할 수 있지만 공간 해상도가 회절에 의해 제한됩니다. 반대로 전자 회절은 원자 해상도에 도달할 수 있지만 시간 해상도가 부족합니다. 두 가지의 장점을 결합하는 한 가지 가능한 방법은 fs 레이저 펄스를 사용하여 LAES(레이저 보조 전자 산란)라는 메커니즘에서 전자와 상호 작용하는 것입니다. 그러나 최근까지 LAES는 가스 단계 샘플에서만 관찰되었습니다.

솔루션

오스트리아 그라츠공과대학 IEP(Institute of Experimental Physics)의 Markus Koch 교수는 다음과 같이 설명합니다. "LAES에서 전자는 강력한 레이저 광선을 조사하는 동안 원자와 충돌하여 에너지를 얻거나 잃습니다. 따라서 에너지 판별력이 있는 전자에 대한 검출 방식을 사용하면 레이저 펄스 동안 시료와 상호 작용한 전자만 검출할 수 있습니다. 펨토초 레이저 펄스를 사용하면 동일한 시간 범위에서 효과적으로 전자 펄스를 얻을 수 있습니다."

대학원생인 Leonhard Treiber가 이끄는 실험에서 Koch 연구실은 단순 농축 샘플에 LAES를 시도했습니다. 이것은 초유체 헬륨의 작은(3~30nm) 액적이었고, 각각은 전자 소스 역할을 하는 단일 원자(In 또는 Xe) 또는 분자(아세톤)로 채워졌습니다. 액적은 3kHz 및 25fs에서 작동하는 Coherent Legend Duo 증폭기의 집중된 800nm 펄스에 의해 조사되었습니다. 레이저 광은 단일 입자 표적의 임계값 초과 이온화(ATI)를 유도한 다음, 액적 껍질을 형성하는 헬륨 원자로 인한 LAES를 유발했습니다. 그런 다음 표준 비행 시간 측정을 사용하여 광전자 에너지 스펙트럼을 기록했습니다.

Koch는 격리된 원자와 단일 액적의 조합이 총 10시간 동안 밤새 데이터를 실행해야 하는 매우 약한 신호를 의미했기 때문에 Legend Duo의 안정성이 매우 중요했다고 강조합니다. 또한 이 레이저가 8년 이상 동안 신뢰할 수 있는 장비임이 입증되었다고 말했습니다. "이 레이저에 집중할 필요가 없습니다. 최대 1년에 두 번 정도만 최적화하면 됩니다. 정말로 신뢰할 수 있는 핸즈프리 펨토초 소스입니다."

결과

헬륨 껍질이 있는 경우와 없는 경우에 얻은 전자 스펙트럼을 비교하여 LAES가 발생하고 있음을 확인했습니다. 그런 다음 빈 공과대학교의 Markus Kitzler-Zeiler 및 도쿄 도립대학교의 Reika Kanya와 협력하여 데이터를 철저히 분석하고 모델링했습니다. 그들의 획기적인 결과는 네이처 커뮤니케이션즈에 게재되었습니다