difracción de electrones ultrarrápida

La difracción de electrones ultrarrápida (UED) , también conocida como difracción de electrones de femtosegundos , es un método experimental de bombeo-sonda basado en la combinación de espectroscopia óptica de bombeo-sonda y difracción de electrones . La UED proporciona información sobre los cambios dinámicos en la estructura de materiales como aquellos que experimentan transiciones de fase o reacciones químicas . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Es conceptualmente similar a la cristalografía resuelta en el tiempo , pero en lugar de usar rayos X como sonda, usa electrones. La UED puede proporcionar una gran cantidad de información dinámica sobre portadores de carga, átomos y moléculas.

Esta técnica utiliza un pulso óptico láser de femtosegundos (10⁻¹⁵ ^segundos  ) para excitar una muestra, llevándola a un estado de excitación, generalmente fuera del equilibrio. El pulso de excitación puede inducir transiciones químicas, electrónicas o estructurales. Tras un intervalo de tiempo finito, un pulso de electrones corto (con una duración de femtosegundos o picosegundos) incide sobre la muestra, interactuando con la estructura atómica subyacente y difractándose en ella. La señal de difracción es detectada posteriormente por un instrumento de conteo de electrones, como una cámara CCD o un detector directo de electrones, similar a los métodos de detección en microscopía electrónica . Específicamente, los detectores miden patrones de difracción, que contienen información estructural sobre la muestra. Ajustando la diferencia de tiempo entre la llegada (a la muestra) de los haces de excitación y de sondeo, se puede obtener una serie de patrones de difracción en función de las diferentes diferencias de tiempo. Las series de datos de difracción se pueden concatenar para generar una secuencia de imágenes de los cambios ocurridos en los datos.

El diseño de los primeros instrumentos UED se basó en cámaras de barrido de rayos X; el primer experimento UED reportado demostró una duración de pulso de electrones de 100 picosegundos (10⁻¹⁰ ^segundos  ). ^{[ 3 ]} La resolución temporal de la difracción de electrones ultrarrápida se ha reducido a la escala de tiempo de attosegundos (10⁻¹⁸ ^segundos  ) para realizar mediciones de difracción de electrones de attosegundos que revelan la dinámica del movimiento de los electrones. ^{[ 4 ]}

Los pulsos de electrones se producen típicamente mediante el proceso de fotoemisión , en el que un pulso óptico de femtosegundos se dirige hacia un fotocátodo . ^{[ 5 ]} Si el pulso láser incidente tiene la energía adecuada, los electrones serán expulsados ​​del fotocátodo. Posteriormente, los electrones se aceleran a altas energías, que van desde decenas de kiloelectronvoltios ^{[ 6 ]} hasta varios megaelectronvoltios, ^{[ 7 ]} utilizando un cañón de electrones .

Generalmente, se utilizan dos métodos para comprimir pulsos de electrones con el fin de superar la expansión del ancho del pulso debida a la repulsión de Coulomb. Generar haces de electrones ultracortos de alto flujo ha sido relativamente sencillo, pero la duración del pulso inferior a un picosegundo ha resultado extremadamente difícil debido a los efectos de carga espacial. Las interacciones de carga espacial aumentan en severidad con la carga del paquete y actúan rápidamente para ensanchar la duración del pulso, lo que ha dado lugar a una compensación aparentemente inevitable entre la señal (carga del paquete) y la resolución temporal en los experimentos de UED. La compresión por radiofrecuencia (RF) ha surgido como un método principal para reducir la expansión del pulso en experimentos de difracción de electrones ultrarrápidos, logrando una resolución temporal muy inferior a 50 femtosegundos. ^{[ 8 ]} En última instancia, se requieren haces de electrones más cortos, inferiores a 10 femtosegundos, para investigar la dinámica más rápida en materiales de estado sólido y observar reacciones moleculares en fase gaseosa. ^{[ 9 ]}

Para estudiar procesos irreversibles, se obtiene una señal de difracción de un solo haz de electrones que contiene${\displaystyle 10^{5}}$o más partículas. ^{[ 6 ]}

Al estudiar procesos reversibles, especialmente señales débiles causadas por, por ejemplo, dispersión térmica difusa, se acumula un patrón de difracción a partir de muchos haces de electrones, hasta 10 ⁸ . ^{[ 10 ]}

La resolución de un aparato UED se puede caracterizar tanto en el espacio como en el tiempo. La resolución espacial se compone de dos partes distintas: el espacio real y el espacio recíproco . La resolución en el espacio real está determinada por el tamaño físico de la sonda electrónica sobre la muestra. Un tamaño de sonda física menor permite realizar experimentos con cristales que no se pueden cultivar en tamaños grandes. ^{[ 11 ]}

La alta resolución del espacio recíproco permite la detección de puntos de difracción de Bragg que corresponden a fenómenos de larga periodicidad. Se puede calcular con la ecuación ^{[ 7 ].}

${\displaystyle \Delta s={\frac {2\pi }{\lambda _{e}}}{\frac {\varepsilon _{n}}{\sigma _{x}}},}$

donde Δ s es la resolución del espacio recíproco, λ _e es la longitud de onda Compton de los electrones, ϵ _n es la emitancia normalizada de los electrones y σ _x es el tamaño de la sonda en la muestra.

La resolución temporal es principalmente una función de la longitud del paquete de electrones y de las fluctuaciones temporales relativas entre el bombeo y la sonda. ^{[ 7 ]}

• Ahmed Zewail
• RJ Dwayne Miller
• cristalografía resuelta en el tiempo

• Srinivasan, Ramesh; Lobastov, Vladimir A.; Ruan, Chong-Yu; Zewail, Ahmed H. (2003). "Difracción electrónica ultrarrápida (UED): un nuevo desarrollo para la determinación 4D de estructuras moleculares transitorias". Helvetica Chimica Acta . 86 (6): 1761. doi : 10.1002/hlca.200390147 .

• Sciani, Germain; Miller, RJ Dwayne (2011). "Difracción de electrones de femtosegundos: anunciando la era de la dinámica con resolución atómica". Reports on Progress in Physics . 74 (9) 096101. Bibcode : 2011RPPh...74i6101S . doi : 10.1088/0034-4885/74/9/096101 . S2CID 121497071 . 
• Chatelain, Robert P.; Morrison, Vance R.; Godbout, Chris; Siwick, Bradley J. (2012). "Difracción ultrarrápida de electrones con pulsos de electrones comprimidos por radiofrecuencia". Applied Physics Letters . 101 (8): 081901. Bibcode : 2012ApPhL.101h1901C . doi : 10.1063/1.4747155 .