用于开发各种光学器件的高效材料技术实现突破

　　6月2日，东京工业大学、筑波大学和名古屋大学的三位学生宣布，他们开发了一种台式电子束衍射装置，可以观测到光激发引起的10万亿分之一秒（100毫秒）以下的结构变化。
　　这一成果由东京工业大学化学系特聘助理教授田久保耕、萨米兰巴努博士、石原慎太郎教授、筑波大学数学材料系副教授羽田信雅、研究生YasukeYasuke和美大未来材料与系统研究所副教授MasatoKashihara组成的联合研究小组获得。详情发表在《科学评论》杂志上。
　　在光激发引起的原子分子水平变化中，从光谱学研究和理论计算中推断出，第一部分发生在不到十万亿分之一秒。为了具体观察它，X射线和电子束设备用于观测，有必要具有比时间尺度短的脉冲特性，但据说它有三个主要问题。
　　1。没有脉冲宽度的压缩方法。迄今为止，除了使用巨型加速器方法以外，没有产生十万亿分之一秒以下的极短脉冲宽度的X射线或电子束的方法。
　　2。由于样品损坏，存在限制。由于我们被迫使用高能X射线和电子束，因此样品损伤可以应对的物质是有限的。
　　3。设备变得巨大。由于加速器是一种巨大的设备，其使用有限，无法适应全球许多实验室进行的材料开发。
　　为了解决这些问题，需要开发小型脉冲电子束生成技术，以及使用相同方法的台面尺寸电子束衍射装置。利用加速电压低于X射线和高速电子束（加速电压100万V级）的电子束，广泛用于原子分子尺寸的结构观测，在抑制样品损伤的同时，开发能够捕捉10万亿分之一秒以下变化的装置，这是各种有用材料光结构变化的第一步。
　　在以前的研究中，东京工业大学成功地在加速电压相对较低的（10万V）电子束中实际捕获了各种有用材料的光结构变化，但仍停留在不到一位数的12万亿分之一秒的时间尺度上。因此，他们决定与筑波大学和美大组成一个联合研究小组，开发一种能够捕捉10万亿分之一秒以下变化的装置，克服了上述三个问题。
　　然后，在2020年，作为第一步，可以解决第二和第三个问题，使用10万V加速电压的电子束，虽然成功地开发了台面尺寸的装置，几乎没有样品损坏，但压缩电子束脉冲宽度的方法，这是第一个问题，因为尚未解决，压缩方法的研究继续进行。
　　超短脉冲激光产生的电子束脉冲，在从光电表面发射后，由于电子之间的排斥力，脉冲宽度立即扩散到万亿分之一秒以上，因此，使用从外部施加的电场，有必要抑制脉冲前半部分的速度，试图扩散，而后半部分必须加速。
　　因此，首先，根据仿真计算结果，研究了利用超小型加速器技术的方法，该技术适合约30cm2。具体来说，在以0。01C的精度控制超小型加速器的温度的同时，对输入电子脉冲控制RF电磁波的强度和相位进行精确控制，以适应电子束脉冲的形状。
　　其次，利用近年来快速发展的千兆赫射频发生和控制技术，利用超高精度射频振荡器的电磁波，开发了一种精确控制激光和超小型加速器装置。因此，脉冲电子束的脉冲宽度为十万亿分之一秒或更少。事实上，它估计不到75飞秒。
　　图1：脉冲电子束飞行和脉冲宽度压缩概念图
　　为了确认和演示该设备的性能，对硅（Si）单晶进行了观测。在Si单晶中，光学上约50飞秒的超高速结构变化被预测发生在光激发中。在观察中，结构变化实际上被确认发生在时间尺度上，如预期的那样。
　　图2：设备概述（来源：东京工业大学）
　　该公司表示，该技术有望为开发各种光学器件的超高速和高效材料做出贡献，包括光存储器和光能转换（人工光合作用）。
　　研究人员计划继续采取以下三项举措，使新开发的设备对材料开发人员易于使用，并保持其独特性。
　　1。利用超短脉冲激光器产生的太赫兹（THz）光，开发了直接监控脉冲宽度的永久装置，旨在通过进一步精确控制射频电磁波来产生更短的电子束脉冲。
　　2。通过确认由THz光引起的新物质状态（软盘状态）的结构变化，探索了新型光电材料，特别是电介质的光控制的可能性。
　　3。它试图控制电子束脉冲的自旋状态，并找出它是否真正可用于磁体的光诱导磁性变化（光磁体）研究。
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