La difracción de electrones ultrarrápida , también conocida como difracción de electrones de femtosegundos , es un método experimental de bombeo-sonda basado en la combinación de espectroscopia de bombeo-sonda óptica y difracción de electrones . La difracción de electrones ultrarrápida proporciona información sobre los cambios dinámicos de la estructura de los materiales. Es muy similar a la cristalografía resuelta en el tiempo , pero en lugar de utilizar rayos X como sonda, utiliza electrones. En la técnica de difracción de electrones ultrarrápida, un pulso óptico láser de femtosegundos (10 –15 segundos) excita (bombea) una muestra a un estado excitado, generalmente de no equilibrio. El pulso de bombeo puede inducir transiciones químicas, electrónicas o estructurales. Después de un intervalo de tiempo finito, un pulso de electrones de femtosegundos incide sobre la muestra. El pulso de electrones sufre difracción como resultado de la interacción con la muestra. La señal de difracción es, posteriormente, detectada por un instrumento de conteo de electrones como una cámara de dispositivo acoplado a carga. En concreto, después de que el pulso de electrones se difracte de la muestra, los electrones dispersos formarán un patrón de difracción (imagen) en la cámara de un dispositivo acoplado a la carga. Este patrón contiene información estructural sobre la muestra. Al ajustar la diferencia de tiempo entre la llegada (a la muestra) de los haces de bombeo y de sonda, se puede obtener una serie de patrones de difracción en función de las diversas diferencias de tiempo. Las series de datos de difracción se pueden concatenar para producir una imagen en movimiento de los cambios que se produjeron en los datos. La difracción de electrones ultrarrápida puede proporcionar una gran cantidad de dinámicas sobre portadores de carga, átomos y moléculas.
El diseño de los primeros instrumentos de difracción de electrones ultrarrápidos se basó en cámaras de rayos X, y el primer experimento de difracción de electrones ultrarrápidos del que se tiene conocimiento demostró una longitud de pulso de electrones de 100 picosegundos (10–10 segundos ). [1] 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. [2]
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 . [3] Si el pulso láser incidente tiene una energía apropiada, los electrones serán expulsados del fotocátodo a través de un proceso conocido como fotoemisión. Los electrones se aceleran posteriormente a altas energías, que van desde decenas de kiloelectronvoltios [4] hasta varios megaelectronvoltios, [5] utilizando un cañón de electrones .
En general, se utilizan dos métodos para comprimir los pulsos de electrones con el fin de superar la expansión del ancho de pulso debido a la repulsión de Coulomb. La generación de haces de electrones ultracortos de alto flujo ha sido relativamente sencilla, pero la duración del pulso por debajo de un picosegundo resultó extremadamente difícil debido a los efectos de la carga espacial. Las interacciones de la carga espacial aumentan en severidad con la carga del haz y actúan rápidamente para ampliar la duración del pulso, lo que ha resultado en un equilibrio aparentemente inevitable entre la señal (carga del haz) y la resolución temporal en experimentos de difracción de electrones ultrarrápidos. La compresión de radiofrecuencia (RF) ha surgido como un método líder para reducir la expansión del pulso en experimentos de difracción de electrones ultrarrápidos, logrando una resolución temporal muy por debajo de los 50 femtosegundos. [6] En última instancia, se requieren haces de electrones más cortos por debajo de los 10 femtosegundos para investigar la dinámica más rápida en materiales de estado sólido y observar reacciones moleculares en fase gaseosa. [7]
Para estudiar un proceso irreversible, se obtiene una señal de difracción de un solo haz de electrones que contiene o más partículas. [8]
Al estudiar procesos reversibles, especialmente señales débiles causadas, por ejemplo, por dispersión difusa térmica, se acumula un patrón de difracción a partir de muchos haces de electrones, hasta . [9]
La resolución de un aparato de difracción de electrones ultrarrápido se puede caracterizar tanto en el espacio como en el tiempo. La resolución espacial se presenta en dos partes distintas: espacio real y espacio recíproco . La resolución en el espacio real está determinada por el tamaño físico de la sonda de electrones en la muestra. Un tamaño físico de sonda más pequeño puede permitir experimentos en cristales que no se pueden cultivar de manera factible en tamaños grandes. [10]
La alta resolución espacial recíproca permite la detección de puntos de difracción de Bragg que corresponden a fenómenos de periodicidad larga. Se puede calcular con la siguiente ecuación: [5]
donde Δ s es la resolución espacial recíproca, 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 haz de electrones y de las fluctuaciones de tiempo relativas entre la bomba y la sonda. [5]
