- 新南威尔士大学博士生聚焦一公里长的激光探测电子结构
- x射线自由电子激光器飞秒响应的测量
- 是世界上能量最高的同步加速器之一。
新南威尔士大学博士生奥利弗·保罗
新南威尔士大学的博士生奥利弗·保罗说:“在近一公里长的激光的尖端，这是一种非常超现实的感觉。”
“不是因为激光有任何危险(尽管它比太阳亮数万亿倍)，而是因为责任……”
Oliver Paull(新南威尔士大学材料科学与工程学院)上个月在日本使用了世界上最好的尖端“XFEL”设备来测量复杂薄膜结构中的超高速光学响应。
对于一个博士生来说，这是一个重大的责任，因为奥利弗的测量要求整个激光设备“瞄准”他的样本材料——聚焦在一个只有千分之五毫米宽的目标区域。
“XFEL和其他类似设备的不同之处在于，比如说，在同步加速器上，你可以同时进行50多个不同的实验，”奥利弗说。“但是有了XFEL，整个(几乎)一公里长的设备，加上所有的工作人员，都是为一组科学家在激光器的业务端工作——那就是我们!”
Spring-8 XFEL:一公里长的激光器
700米长，线性SACRA XFEL设施，毗邻圆形Spring8同步加速器。
位于日本大阪附近的SPring-8中心拥有世界上所有同步加速器设施中能量最高的电子，大约有50条波束线在运行，用于研究生物学、磁学、量子动力学和医学成像等系统。
Spring-8设备还包括x射线自由电子激光器(XFEL):这是一种相对较新的成像技术，它提供了一种强度极高、聚焦非常紧密的光源，并且可以以极快的速度脉冲开启和关闭。
在XFEL中，自由电子被加速到接近光速的速度，然后被强大的磁场“摆动”，以正弦路径传播。当电子振荡时，它们发出强大的辐射，这种辐射本身与电子相互作用并产生激光效应(这一过程称为自放大自发辐射)。
XFEL产生一束强度极高的x射线，聚焦到极小的光斑尺寸(直径只有50微米)，激光脉冲宽度为飞秒长(即持续时间为十亿分之一秒的百万分之一)。
SACLA XFEL的亮度是相邻的Spring-8同步加速器的10亿倍，可以将光束聚焦到千分之一宽的点上，脉冲宽度则是千分之一短。
XFEL的这种极端亮度会用一个XFEL脉冲破坏一些样品。
SACLA XFEL是同类激光器中第一个产生波长低于0.1 nm的激光x射线的光束线。
XFEL技术仍处于起步阶段，SACLA仍然是一个非常新的设施，旨在允许未来的升级，以适应许多可以从这项实验技术中受益的科学领域。
为什么学生要站在激光前
700米激光设备尖端的实验装置
实验提供了一个“电影”，在飞秒尺度上显示了光学激光脉冲之前和之后样品中的物理失真。
奥利弗说:“这使我们能够准确地确定我们的样品在光学激发下是如何扭曲的。”
“对我们来说，这个复杂的实验之所以有趣/有用，是因为我们的样本也非常复杂。”
被分析的材料是唯一已知的在室温下具有磁和电有序(所谓的多铁性)的材料-铋铁氧体(BFO)。该样品含有两个共存的BFO相，这两个相具有各自的自由能，它们相互竞争，并对微观结构和系统的大型机电性能做出贡献。
“使用SPring-8，我们可以看到这些相位如何在飞秒的时间尺度上相互竞争，”奥利弗说。
这项研究是在Paul Evans(威斯康星大学麦迪逊分校)和他的团队的工作基础上进行的，他们使用脉冲紫外激光来光学激发晶体结构，然后使用传统的x射线衍射来测量XFEL的响应。
“实验中最重要的方面是(1)确保光学激光器和x射线激光器之间存在空间重叠(即你测量的是光学激发的晶体部分)，以及(2)确保你准确地知道时间上的重叠(所谓的‘时间零’)。”
“一旦你知道了这一点，”奥利弗说，“你就可以改变光学激光的路径长度，以测量光学激光激发晶体和XFEL测量激发之间的时间延迟。”
通过广泛的分析和模拟，保罗·埃文斯和纳吉的团队将能够解开这些能量项(到目前为止只是近似的，没有直接的验证)以及这个系统的动力学。
奥利弗说:“这将有助于将该系统的研究方向引向更多功能的设备。”
XFEL内部
Oliver和Nagarajan (' Nagy ') Valanoor: FLEET的首席研究员，以及新南威尔士大学材料科学与工程学院．他的团队探索了氧化物和薄膜材料作为新型低能拓扑器件的平台。Nagy的团队还合成了许多铁电和铁磁异质结构，以及新型拓扑氧化物，用于其他FLEET研究人员寻找低能量晶体管。
FLEET(未来低能耗电子技术中心)是澳大利亚研究委员会的卓越中心，汇集了100多名研究人员，寻求开发超低能耗电子产品，以应对计算中能源使用的挑战，计算已经消耗了全球8%的电力，并且每十年翻一番。
更多的信息
- 联系Oliver Paullo.paull@unsw.edu.au
- 联系Nagy Valanoornagarajan@unsw.edu.au
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