超高輝度電子

超高輝度電子は、原子や分子の動きを観察できる高度な原子イメージングツールです。 ^{[ 1 ]}これらは、ドイツのハンブルクにあるマックス・プランク物質構造動力学研究所とトロント大学で、 RJDミラー教授率いるチームによって開発されました。^{[ 1 ]}

電子ビームの明るさは、任意の点において、与えられた方向に垂直な単位面積あたりの電流を単位立体角あたりで割った値として定義されます。数学的には、面積と立体角が0に近づくときの極限を用いて定義されます。一般式は次のとおりです。

${\displaystyle B=\lim _{\delta A\to 0}\lim _{\delta \Omega \to 0}{\frac {\delta I}{\delta A\delta \Omega }}}$^{[ 2 ]}

超高輝度電子ビームは、10 A/cm ²を超えるエネルギーと 1  nm を超える空間コヒーレンスを持つものと定義されています。^{[ 1 ]}このレベルのエネルギーとこの程度のコヒーレンスは、このようなビームの生成だけでなく、特性評価の過程でサンプルを破壊せずにビームを使用する方法においても、大きな技術的問題です。^{[ 1 ]}サンプル破壊という特異な問題は、光活性で電位障壁を低減するように準備された反応を研究することによって解決されました。^{[ 1 ]}

非相対論的電子では、電子ショットバンチで発生する自然なチャープを利用することで、超高輝度を実現するという問題が克服されました。 ^{[ 1 ]}このチャープを最大限に活用するために、開発された電子銃は、電子パルス無線周波数（RF）ギャップの周囲に磁気レンズを配置して、可能な限りコンパクトに設計されました。 ^{[ 1 ]}電子バンチのチャープと空間圧縮を併用することで、電子銃は200 fsの時間枠で、最大10^9個の電子/cm^2、最大6  nmの単位セルを研究するのに十分なコヒーレンスで解像できるようになりました。^{[ 1 ]}この技術は、近い将来、少なくとも2桁向上する可能性があると考えられています。^{[ 1 ]}

この方法は、有機塩(EDO-TTF)2PF6が光誘起絶縁体-金属相転移を起こす際の電荷非局在化を観察するために使用された。^{[ 3 ]}観察された動きは、化学反応の遷移時に起こる次元の減少を明らかにし、これは、大きく異なる次元の分子間で化学において繰り返しパターンが存在する仕組みを理解する上での大きな理論的ブレークスルーである。^{[ 1 ]}

相対論的超高輝度電子分光法は、ドイツ・ハンブルクのマックス・プランク物質構造・動力学研究所が原子探査用相対論的電子銃（REGAE）を構築した研究を通じて急速に発展しました。^{[ 1 ]}この装置により、非相対論的電子よりもさらに効果的なRFギャップの使用により電子散乱の問題が大幅に軽減され、REGAEは10フェムト秒の時間枠で20 nmを超える空間コヒーレンスで試料の深部をプローブできるようになり、タンパク質の 動きを研究するために使用できるようになりました。^{[ 1 ] [ 4 ]}

REGAE を使用すると、ジアリールエテンの環化ダイナミクスがリアルタイムで観察され、核が反応の転換点を通過するにつれて次元が著しく減少することが明らかになりました。^{[ 1 ] [ 5 ]}