新技术产生超短离子脉冲

维也纳技术大学 (TU Wien) 成功生成持续时间远低于 500 皮秒的激光同步离子脉冲，可用于观察材料表面的化学过程。该研究成果已发表在《物理评论研究》上。

如果你想快速拍摄某物，你需要一台曝光时间非常短的相机。同样的原理适用于物理学的各个领域：例如，极短的激光脉冲可用于可视化原子内发生的过程。

然而，不仅激光脉冲可以为物理学中未解的问题提供答案，离子脉冲也可以：现在一种新方法已被用来产生极短、强大的带电粒子脉冲，这些脉冲将来可以以精确控制的方式射向表面。

这样就可以分析在这个表面上发生的非常快速的过程。例如，可以分析仍在进行的化学过程。

通常你只能看到剩下的

维也纳技术大学应用物理研究所的理查德·威廉教授说：“离子束已经使用了很长时间——用于分析材料，也用于清洁或修改材料表面。”

“然而，通常情况下，你只能看到最终产品。你向表面发射离子，然后观察材料因此发生了怎样的变化。迄今为止，最大的困难是产生如此短的离子脉冲，以便它们可以用来跟踪撞击的时间过程。”

维也纳技术大学实验室产生的离子脉冲持续时间不到 500 皮秒。1 皮秒是百万分之一秒的百万分之一——以人类的标准来看，这个时间跨度几乎是难以想象的。即使是光，在 500 皮秒内也只能传播 15 厘米。这仍然比世界上最短的激光脉冲长数百万倍，后者的时间尺度为阿秒。然而，这个时间尺度已经进入了分析表面的最佳范围。

激光产生电子，电子产生离子

为了产生这种强度极高的极短离子脉冲，必须开发一个多阶段过程：首先，将激光脉冲射向阴极，然后阴极发射电子。这些电子被加速并击中不锈钢靶。

“某些原子总是聚集在不锈钢表面，例如氢和氧，”威廉说。“当电子撞击这层附着的原子时，其中一些原子会被踢出并飞走。”

飞走的原子中有些是电中性的，有些则是电离的。电场可用于精确选择哪些原子需要进一步使用——然后以短离子脉冲的形式精准地将它们引导到您真正想要分析的表面上。

“由于这个过程是由激光脉冲启动的，我们可以非常精确地控制离子脉冲的产生时间以及离子脉冲撞击表面的时间，”Wilhelm 说。“例如，我们可以在某个激光激活的化学反应发生时，在不同的时间用撞击离子探测表面。我们获得不同的信号，以皮秒级的时间尺度直观地显示反应过程。”

灵活的新技术

到目前为止，最简单的离子——即质子——一直被用于此目的。然而，同样的方法也可以用来产生其他离子脉冲，例如碳离子或氧离子。

威廉说：“这完全取决于我们将哪些原子附着在被电子击中的不锈钢层上，这可以得到精确控制。”还可以产生电中性原子甚至带负电的离子脉冲。

目前已经有计划进一步缩短离子脉冲的持续时间。这只需要特殊形状的交变电磁场来稍微减慢脉冲中第一个离子的速度，稍微加速后面的离子。

威廉说：“我们开发了一种前景光明、效率惊人的新技术，用于研究超短过程，而此前无法研究这些过程的时间动态。”该方法可与现有的超快电子显微镜技术相结合，深入了解表面物理和化学的许多不同方面。