超高速電子回折

超高速電子回折（UED）は、フェムト秒電子回折とも呼ばれ、光ポンププローブ分光法と電子回折を組み合わせたポンププローブ実験法です。UEDは、相転移や化学反応を起こしている物質などの構造の動的な変化に関する情報を提供します。^{[ 1 ] [ 2 ]}概念的には時間分解結晶学に似ていますが、プローブとしてX線を使用する代わりに電子を使用します。UEDは、電荷キャリア、原子、分子の動態に関する豊富な情報を提供できます。

この技術では、フェムト秒（10⁻¹⁵秒）のレーザー光パルスを用いて^試料 を励起状態（通常は非平衡状態）に励起（ポンプ）します。ポンプパルスは、化学的、電子的、または構造的な遷​​移を引き起こす可能性があります。一定時間経過後、フェムト秒またはピコ秒の短い電子パルスが試料に照射され、試料中の原子構造と相互作用して回折します。回折信号は、電荷結合素子（CCD）カメラや電子顕微鏡の検出方法と同様の直接電子検出器などの電子計数装置によって検出されます。具体的には、検出器は試料の構造情報を含む回折パターンを測定します。ポンプ光とプローブ光の試料への到達時間差を調整することで、様々な時間差に応じた一連の回折パターンを取得できます。これらの回折データ系列を連結することで、データの変化を動画として表示できます。

初期のUED装置の設計はX線ストリークカメラに基づいており、最初に報告されたUED実験では電子パルス長が100ピコ秒（10⁻¹⁰秒）であることが実証された^。  [ ^{3 ]超}高速電子回折の時間分解能はアト秒（10⁻¹⁸秒）の時間スケールまで低下し^、 電子の運動ダイナミクスを明らかにするアト秒電子回折測定が行われている。^{[ 4 ]}

電子パルスは通常、光電放出のプロセスによって生成され、フェムト秒の光パルスが光電陰極に向けられます。^{[ 5 ]} 入射レーザーパルスが適切なエネルギーを持っている場合、電子が光電陰極から放出されます。その後、電子は電子銃を使用して、数十キロ電子ボルト^{[ 6 ]}から数メガ電子ボルト^{[ 7 ]}の範囲の高エネルギーに加速されます。

一般的に、クーロン反発によるパルス幅の拡大を克服するために、電子パルスを圧縮する2つの方法が用いられています。高フラックスの超短電子ビームを生成することは比較的容易でしたが、空間電荷効果のため、ピコ秒以下のパルス幅を実現することは非常に困難でした。空間電荷相互作用はバンチ電荷とともに深刻化し、パルス幅を急速に広げる作用を及ぼすため、UED実験では信号（バンチ電荷）と時間分解能の間に避けられないトレードオフが生じています。高周波（RF）圧縮は、超高速電子回折実験におけるパルス拡大を低減する主要な方法として登場し、50フェムト秒をはるかに下回る時間分解能を実現しています。^{[ 8 ]}固体材料の最速のダイナミクスを調べ、気相分子反応を観測するには、最終的には10フェムト秒以下の短い電子ビームが必要となります。^{[ 9 ]}

不可逆過程を研究するために、単一の電子束から回折信号が得られる。$10^5$またはそれ以上の粒子。^{[ 6 ]}

可逆過程、特に熱拡散散乱などによって引き起こされる微弱な信号を研究する場合、回折パターンは10⁸個もの多数の電子束から蓄積され^ます。^{[ 10 ]}

UED装置の分解能は、空間と時間の両方で特徴づけることができます。空間分解能は、実空間と逆空間の2つの異なる部分から構成されます。実空間分解能は、試料上の電子プローブの物理的なサイズによって決まります。プローブの物理的なサイズが小さいほど、大きなサイズに成長させることが現実的に不可能な結晶での実験が可能になります。^{[ 11 ]}

高い逆格子空間分解能により、長周期現象に対応するブラッグ回折スポットの検出が可能になります。これは式^{[ 7 ]で計算できます。}

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

ここで、Δsは逆格子空間の分解能、λe_は電子のコンプトン波長、ϵn_は電子の正規化エミッタンス、 σx_は試料上のプローブのサイズである。

時間分解能は主に電子のバンチ長とポンプとプローブ間の相対的なタイミングジッターの関数である。^{[ 7 ]}

• アフメド・ゼワイル
• RJドウェイン・ミラー
• 時間分解結晶学

• Srinivasan, Ramesh; Lobastov, Vladimir A.; Ruan, Chong-Yu; Zewail, Ahmed H. (2003). "超高速電子回折 (UED): 過渡的分子構造の 4D 決定のための新しい開発". Helvetica Chimica Acta . 86 (6): 1761. doi : 10.1002/hlca.200390147 .

• Sciani, Germain; Miller, RJ Dwayne (2011). "フェムト秒電子回折：原子分解能ダイナミクスの時代の到来を告げる". 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). "超高速電子回折と高周波圧縮電子パルス". Applied Physics Letters . 101 (8): 081901. Bibcode : 2012ApPhL.101h1901C . doi : 10.1063/1.4747155 .