Forscher der Universität Tsukuba haben gezeigt, wie das Hinzufügen einer winzigen Resonatorstruktur zu einem ultraschnellen Elektronenimpulsdetektor die Intensität der Terahertz-Strahlung reduziert, die zur Charakterisierung der Impulsdauer erforderlich ist.
Um Proteine zu untersuchen – beispielsweise um die Mechanismen ihrer biologischen Wirkungsweise zu bestimmen – müssen Forscher die Bewegung einzelner Atome innerhalb einer Probe verstehen. Das ist nicht nur schwierig, weil Atome so winzig sind, sondern auch, weil solche Umlagerungen normalerweise in Pikosekunden – also Billionstelsekunden – stattfinden.
Eine Methode, diese Systeme zu untersuchen, besteht darin, sie mit einem ultraschnellen Laserlichtstoß anzuregen und sie dann sofort mit einem sehr kurzen Elektronenpuls zu untersuchen. Anhand der Streuung der Elektronen an der Probe in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit zwischen Laser- und Elektronenpuls können Forscher viele Informationen über die atomare Dynamik gewinnen. Die Charakterisierung des anfänglichen Elektronenpulses ist jedoch schwierig und erfordert komplexe Aufbauten oder leistungsstarke THz-Strahlung.
Jetzt hat ein Forscherteam der Universität Tsukuba einen optischen Resonator verwendet, um das elektrische Feld eines mit einem Kristall erzeugten Terahertz (THz)-Lichtimpulses zu verstärken, wodurch das erforderliche THz-Licht zur Charakterisierung der Dauer des Elektronenimpulses reduziert wird. THz-Strahlung bezieht sich auf Lichtstrahlen mit Wellenlängen zwischen denen von Infrarot und Mikrowelle.
„Eine genaue Charakterisierung des Sondenelektronenpulses ist unerlässlich, da er länger dauert und im Allgemeinen schwieriger zu kontrollieren ist als der Anregungslaserstrahl, der die Atome in Bewegung versetzt“, erklärt Co-Autor Professor Yusuke Arashida.
Ähnlich wie ein Raum mit der richtigen Akustik die Wahrnehmung von Schall verstärken kann, kann ein Resonator die Amplitude der THz-Strahlung mit Wellenlängen verstärken, die zu seiner Größe und Form passen. In diesem Fall verwendete das Team einen schmetterlingsförmigen Resonator, der zuvor von einer unabhängigen Forschungsgruppe entworfen worden war, um die Energie des Pulses zu konzentrieren. Durch Simulationen fanden sie heraus, dass die Verstärkung des elektrischen Feldes dort konzentriert war, wo sich der „Kopf“ und der „Schwanz“ des Schmetterlings befinden würden.
Sie fanden heraus, dass sie mit der THz-Streaking-Methode die Elektronenpulsdauer bis zu mehr als einer Pikosekunde messen konnten. Dieser Ansatz verwendet einfallendes Licht, um den Elektronenpuls entlang einer senkrechten Richtung auszubreiten. In der Kamera wird ein „Streifen“ mit Zeitinformationen gebildet, die nun in die räumliche Verteilung des resultierenden Bildes kodiert sind.
„Ultraschnelle Messungen mit Elektronenpulsen können die strukturelle Dynamik von Molekülen oder Materialien auf atomarer Ebene zeigen, wenn sie sich entspannen, nachdem sie von einem Laser angeregt wurden“, sagt Seniorautor Professor Masaki Hada.
Die Verwendung dieses Resonators mit einem schwachen THz-Feld und einer Intensität von einigen kV/cm hat sich als ausreichend erwiesen, um Elektronenpulse im Pikosekunden-Zeitbereich zu charakterisieren. Diese Arbeit kann zu einer effizienteren Untersuchung von Bewegungen auf atomarer Ebene in sehr kurzen Zeitskalen führen und möglicherweise bei der Untersuchung von Biomolekülen oder Industriematerialien helfen.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Photonik.
Mehr Informationen:
Wataru Yajima et al, Streifenbildung eines Pikosekunden-Elektronenpulses mit einem schwachen Terahertz-Puls, ACS Photonik (2022). DOI: 10.1021/acsphotonics.2c01304