کد خبر : 4388 سه شنبه 04 فروردین 1394 - 19:37:48
ایجاد-پالس-اتوثانیه‌ای-مجزا-در-لبه-جذب-کربن-اثبات-شد

طراحی مواد با راندمان بالا

ایجاد پالس اتوثانیه‌ای مجزا در لبه جذب کربن اثبات شد

سیناپرس: پژوهشگران موفق شدند برای اولین بار تولید پالس اتوثانیه‌ای مجزا در پنجره آبی را نشان دهند.

این دستاورد امکان ردیابی و تجسم حرکت‌های الکترونیکی با ویژگی‌های عنصر، یعنی تشکیل و شکست نوار انرژی در طول یک واکنش شیمیایی، دینامیک اگزیتون در سلول‌های خورشیدی آلی و یا وقوع مغناطیس فوق سریع را فراهم می‌کند.

در مطالعه اخیر گروه اتوساینس و اپتیک اولترافست به سرپرستی استاد موسسه علوم فوتونی، ینس بیگرت، «جداسازی فضایی و زمانی پالس اتوثانیه‌ای در پنجره آب اشعه ایکس نرم»، که در مجله نیچر کامیونیکیشن منتشر شده است، تولید پالس‌های اتوثانیه‌ای مجزا در لبه K با ولتاژ 284 ولت (4.4 نانومتر) در محدوده پنجره آب، به دست آمد.

کربن یکی از عناصر فراوان در جهان و از اجزای سازنده حیات روی زمین است. در واقع کربن عنصر اساسی در هر دوی ترکیبات آلی، مانند سلول‌های، چربی، کربوهیدرات‌ها، و همچنین ترکیبات غیر آلی، مانند موادی که برای ساخت نانولوله‌های کربنی، گرافن، ادوات الکترونیکی آلی و دستگاه‌های برداشت نور استفاده می‌شوند به حساب می‌آید.

در دسترس بودن مدت زمان اتوثانیه‌ای پالس‌های اشعه ایکس نرم، به این معنی است که می‌توان حرکت‌های الکترونیکی را به صورت بلادرنگ و به همراه ویژگی عنصر،مثلا لبه کربن دنبال کرد. مقیاس‌های زمانی امکان تصویربرداری از وقایع تحریک کننده تشکیل و شکست نوار انرژی، دینامیک اگزیتون و جریان انرژی در سلول‌های خورشیدی آلی یا ادوات ذخیره‌سازی انرژی، و یا عملکرد داخلی ادوات مغناطیسی فوق سریع یا ابررساناها را فراهم می‌کنند.  یک چنین قابلیتی می‌تواند کلید طراحی مواد دگرگون جدید با راندمان بالا و یا توسعه ادوات الکترونیکی پتاهرتزی باشد.

در واقع اگزیتون، جفت شدن یک الکترون که توسط یک فوتون به تراز بالاتری از انرژی رفته است، با یک حفره (یا یک الکترون دیگر) که به داخل اوربیتال اطراف هسته اتم رانده شده است، می‌باشد. با وجود انرژی بالاتر در حالت جدید، الکترون با یکی از حفره‌ها (محل‌هایی که توسط الکترونی که به تراز انرژی بالاتری رفته است خالی شده)، جفت می‌شود. هنگامی که الکترون انرژی بالای خود را از دست می‌دهد، دوباره به حفره‌ای که با آن پیوند داشت و آنرا ترک کرده بود باز می‌گردد و فوتون جذب شده تابیده می‌شود.

پس از یک دهه تحقیق و توسعه مداوم، اتوساینس به تازگی موفق شد در تولید پالس اتوثانیه‌ای مجزا در انرژی‌های فوتونی پایین‌تر از 120 الکترون-ولت به علت الزامات سختگیرانه در مورد منابع لیزری، به اوج عملکرد خود برسد. در حال حاضر، گروه اپتیک اولترافست و اتوساینس، توانسته‌اند برای اولین بار با نشان دادن تولید پالس‌های اتوثانیه‌ای مجزا در لبه Kکربن گام‌های قابل توجهی بردارد. آنها با اجرای آزمایش خود، قادر به ایجاد این پالس‌های فوق کوتاه با طول پالس کمتر از 400 اتوثانیه و پشتیبانی پهنای باندی با طول پالس 30 اتوثانیه شدند.

پنجره آب اشاره به این واقعیت است که آب نسبت به اشعه ایکس نرم در محدوده بین 530 الکترون-ولت یا 2.34 نانومتر (لبه جذب K اکسیژن) و 280 الکترون-ولت یا 4.4 نانومتر (لبه جذب K کربن)، شفاف است در حالی که عناصر دیگر در این محدوده‌ها جذب می‌شوند. گذشته از تفکیک پذیری باور نکردنی زمان اتوثانیه‌ای، نتایج تحقیق موسسه علوم فوتونی، امکان میکروسکوپی اشعه ایکس نرم در سطح اتمی کربن حاوی ترکیبات داخلی و نمونه‌های زنده را فراهم می‌کند.

 

اشعه ایکس نرم

پرتو ایکس یا اشعه ایکس (اشعه رونتگن) نوعی از تابش الکترومغناطیسی با طول موجی در حدود 0.01 تا ۱۰ نانومتر معادل با ۳۰ پتاهرتز تا ۳۰ اگزاهرتز (سی در ده به توان پانزده تاسی در ده به توان هجده هرتز) و انرژی بین ۱۰۰ الکترون-‌ولت تا ۱۰۰ کیلو الکترون-‌ولت است. از فرکانس ۳۰ پتاهرتز تا ۳ اگزاهرتز را اشعه ایکس نرم (SX) مینامند. این اشعه در بلورشناسی و عکس‌برداری از اعضای داخلی بدن و عکسبرداری از درون اشیای جامد و به عنوان یکی از روش‌های تست غیرمخرب در تشخیص نقص‌های موجود در اشیای ساخته شده (مثلاً در لوله‌ها و...) کاربرد دارد.

 

جذب اشعه ایکس

در اثر انتقال انرژی پرتو ایکس به الکترون‌‌های موجود در ماده، پرتو ایکس جذب می‌‌شود. به عبارت دیگر اگر انرژی پرتوی ایکس سبب جا به جا کردن الکترون‌های ماده شود، از شدت پرتو خروجی کاسته خواهد شد. در طول موج‌های پایین (یعنی زمانی که پرتو ایکس انرژی زیادی دارد) مقدار جذب کم است و با افزایش طول موج، به خاطر کم شدن انرژی پرتو، جذب افزایش می‌یابد. میزان جذب متناسب با توان سوم طول موج پرتو ایکس است. وقتی که طول موج پرتو، بیش از لبه جذب مدار (به عنوان مثال K ) باشد، میزان جذب به طور ناگهانی کاهش پیدا می‌کند. بدیهی است که در این حالت، از آنجا که انرژی پرتو آنقدر نیست که بتواند باعث جدا کردن الکترون از مدار K شود، جذب نمی‌شود و بنابراین مقدار بیشتری از پرتو ایکس از ماده عبور می‌کند. به عبارت دیگر، پرتویی که طول موج آن بالاتر از لبه جذب K باشد، چون نمی‌ تواند الکترون را از مدار خارج کند صرف این کار نمی‌شود و بنابراین جذب هم نمی‌شود. پس از لبه جذب، با افزایش طول موج، چون انرژی پرتو، کاهش می‌یابد جذب آن دوباره افزایش خواهد یافت. زمانی که طول موج بالاتر از لبه جذب Lیک می‌شود، چون پرتو نمی‌تواند از مدار  L، الکترون خارج کند، بنابراین میزان جذب کاهش می‌‌یابد.

از آنجا که جذب پرتو ایکس، نتیجه بر هم کنش این پرتو با الکترون‌‌های ماده است، مقدار جذب نه تنها به طول موج پرتو بستگی پیدا می‌‌کند، بلکه ساختار اتمی ماده یا به عبارت دیگر آرایش الکترونی آن نیز در پدیده جذب تعیین‌ کننده خواهد بود. جذب پرتو ایکس، متناسب با توان چهارم عدد اتمی عنصرهای تشکیل‌ دهنده ماده است. بنابراین، عنصرهای سنگین (مانند سرب) پرتو ایکس را به شدت جذب می‌‌کنند.

 

پالس اتوثانیه

یک اتوثانیه ده به توان منفی هجده ثانیه است و پالس اتوثانیه به پالس نوری گفته می‌شود که مدت زمان گذرکل طول پالس، در حدود یک اتوثانیه طول بکشد. برخورد پالس پرشدت لیزر فمتوثانیه با اتم گاز نجیب ابتدا باعث دور شدن پرسرعت الکترون از هسته می‌شود، سپس در فرآیند برگشت به سمت هسته و ساطع کردن انرژی به دست آمده در شکل فوتون قطاری از پالس‌های اتوثانیه‌ای تولید می‌شود.

 

تولید پالس اتوثانیه‌ای

برای تولید پالس اتو از لیزری که میدان الکتریکی آن در حدود فمتوثانیه تغییر جهت می‌دهد به عنوان منبع محرک الکترون استفاده می‌شود. شکل پالس لیزری به گونه‌ای است که بیشترین شدت آن در مرکز پالس متمرکز است و مدت زمان این پالس لیزری در حدود فمتو ثانیه است. هنگامی که این پالس به سمت اتم تابیده می‌شود نیروی وارده از طرف پالس با فرکانس 2500 اتوثانیه تغییر جهت می دهد(بالا و پایین). اگر این نیرو به نیروی بین الکترون و هسته غلبه کند باعث کنده شدن الکترون از سطح اتم می‌شود. اندکی پس از تابش لیزر به اتم، الکترون به علت بار منفی، به جهت مخالف میدان الکتریکی پالس سرعت می‌گیرد و سرعت آن به چند ده کیلومتر بر ثانیه می‌رسد.

علیرغم سرعت اولیه بسیار بالا، الکترون نمی‌تواند کاملا از قید هسته رها شود و تنها چند نانومتر جابجا می‌شود زیرا میدان الکتریکی تغییر جهت می‌دهد و مانند یک ترمز برای الکترون عمل می‌کند و به این ترتیب الکترون به حالت سکون در می‌آید.

بازگشت به حالت سکون تنها چند اتوثانیه طول می‌کشد زیرا جهت میدان الکتریکی به سرعت تغییر می‌کند و باعث برخورد مجدد الکترون با هسته اولیه خود می‌شود. الکترون‌هایی که هسته را ترک می‌کردند با بالاترین سرعت به مکان اولیه خود بازگشته و توسط نیروی بین هسته و الکترون مجددا به دام می‌افتند. الکترون تمام انرژی گرفته شده را به صورت یک فوتون در محدوده فوق فرابنفش آزاد می‌کند و این فرآیند تنها چند صد اتو ثانیه طول می کشد.

منبع

نظرات شما

[کد امنیتی جدید]