将光转化为可用的化学能和机械能对于多种生物和化学过程至关重要，为了理解调节这些过程的结构-功能关系，需要一种具有高空间和时间分辨率的技术。来自SLAC兆电子伏特超快电子衍射仪（MeV-UED），是一种强大的“电子相机”，用于研究化学和固态系统中的时间分辨、超快原子和分子动力学。仅今年，王西杰教授课题组利用SLAC兆电子伏特超快电子衍射仪，已经发表3篇正刊，3年累计6篇。
【MeV-UED仪器简介】
在SLAC使用MeV电子衍射的成功研究计划的基础上，研究人员建立了MeV-UED。该仪器具有以下特性：高空间分辨率(< 0.5 Å)、大动量传递范围(0.5 至 12 Å -1)、高弹性散射截面、高时间分辨率(< 150 fs FWHM)，具有相对较大的穿透深度(> 100 nm) 和可忽略的样品损坏。
图 1.SALC Mev-UED装置图
首先，MeV-UED光束线的示意图如图2所示。飞秒MeV电子束在S波段光电阴极射频枪中产生。射频枪由基于脉冲形成网络的调制器和50 MWS波段速调管供电。射频幅度和相位稳定性通常分别为2x10 -4 rms和30 fs rms。大约0.5 mJ的IR激光用于产生紫外线以从铜光电阴极产生电子。紫外光束以70度的入射角照射光电阴极。在光电阴极之后，磁螺线管透镜立即提供初级电子束聚焦。
射频光电阴极枪通过两个差动泵级与样品室环境隔开。第一阶段包含弹出式诊断和电子束准直器。可用的准直器尺寸为：100、200和500um直径。第二个磁性螺线管透镜安装在差动泵送部分（未显示）之后。这允许在样品位置或检测器位置优化电子束焦点。有孔激光耦合反射镜安装在样品室正前方的真空十字（未显示）中。气相实验的样品室是一个矩形室，内部尺寸为：22.5” x14.5”x14.56”，相互作用点距离光电阴极约1.6 m。两个1000 L/s涡轮分子泵安装在气体顶部样品室。
主诊断检测器安装在距离光电阴极4.6 m处。探测器由一个P43荧光屏组成，它安装在真空中，与电子束垂直入射。荧光屏通过平面真空镜、屏幕的下光束使用安装在真空外的商用EMCCD(Andori Xon Ultra)成像。
图 2. SALC Mev-UED光束线示意图
【王西杰团队6篇NS正刊解读】
01 首次直接观察到水分子的运动！
研究人员通过一束飞秒红外激光脉冲对100 nm厚的水样品进行振动激发，并利用一束飞秒兆电子伏（MeV）电子脉冲对样品进行衍射探测。每一幅衍射图直接反映出相邻水分子间的动态运动。通过控制并扫描激发激光脉冲与探测电子束脉冲的时间间隔，研究团队获得了飞秒时间尺度上丰富的结构动力学信息。结果表明在~80飞秒的时间内，氢键键长大约收缩0.04埃，随后在~1皮秒(1皮秒=10-12秒)的时间尺度上氢键再次舒张，形成了对相邻分子的“拉近-推远”的动态过程。将实验测量结果与分子动力学模拟对照，研究人员证明这一“拉近-推远”过程与经典力学相违背，而该现象完全得益于氢核量子效应。这一实验观测揭示了氢核量子效应在液态水微观动力学中的决定性作用。（解读： ）
图 3. 实验装置照片（左）与水分子氢键网络示意图（右）
02 超快操作衍射揭示的VO2开关中的通用相位动力学
众所周知，二氧化钒（VO 2）具有耦合的结构和电子跃迁，可通过光、热或电激发获得。这种绝缘体到金属转变的超快光学研究表明，它是由保持原始绝缘相结构的瞬态金属相的形成所介导的。通过使用频闪电子衍射，研究团队对操作VO2开关中的原子运动和电子传输进行同步时间分辨测量。研究团队发现了一种电触发的同构状态，它在微秒时间尺度上瞬时形成，相场模拟表明，这种状态通过局部异质性和平衡相之间的界面相互作用而稳定。这种亚稳相类似于在皮秒内在光激发下形成的相，表明是一种通用的转化途径。研究团队的结果确立了电激发作为揭示相关材料中非平衡和亚稳态相的途径，为纳米电子学中的工程动力学行为开辟了道路。
图 4.示意图
03 打开化学反应研究的窗口，首次实现原子分辨率OH（H3O+）的成像
研究人员使用液相超快电子衍射(UED)以原子时空分辨率捕获在水的光电离中产生的短寿命羟基自由基-阳离子对的瞬态结构——OH(H3O+)。这些离子对在约250 fs内解离成一个OH自由基和一个H 3O +阳离子。此外，研究人员通过追踪加热水的结构变化，记录了液态水伴随的超快加热。这些观察结果揭示了瞬态反应中间体和能量从电离中心到水的动态流动，这可能发生在辐射分解过程中，这种反应在自然界中无处不在。总之，该研究不仅捕获了寿命短且反应性高的自由基阳离子物种，而且还说明了电离中心附近的超快结构弛豫，这可能对电离液态水中的后续化学反应产生进一步影响。（解读： ）
图 5. 超越水的超快结构动力学超快溶液相电子衍射研究
图 6.电离液态水的超快电子衍射测量
04 通过超快电子衍射同时观察核动力学和电子动力学
同时观察核运动和电子运动对于完全理解激发电子态中的分子动力学至关重要。单个实验同时独立地跟踪电子和核动力学是具有挑战性的。在这里，研究团队展示了超快电子衍射可用于同时记录分离的吡啶分子中的电子和核动力学，自然地解开这两种成分。电子状态变化（S1→S0内部转换）被小角度非弹性散射中的强瞬态信号反射，核结构变化（环褶皱）通过大角度弹性衍射监测。在从头计算非绝热分子动力学和衍射模拟的支持下，研究团队的实验提供了光激发吡啶分子的电子和核动力学之间相互作用的清晰视图。
图 7.电子以两种不同的方式从吡啶分子上散射
05 发现了在拓扑材料中打开和关闭奇异属性的新方法
某些奇异材料的一个奇怪特征允许电子从材料的一个表面传播到另一个表面，就好像两者之间没有任何东西。因为它们的电子态对外部扰动具有非凡的抵抗力，例如加热、机械压力和材料缺陷。但是为了利用这些材料，科学家们还需要对它们的特性进行微调。现在，研究人员已经表明，他们可以通过用光脉冲在稳定拓扑状态内外切换材料来打开和关闭此功能。该方法可以提供一种操纵材料的新方法，可用于未来的量子计算机和无损耗传输电流的设备。
图 8.用光控制材料的拓扑结构
本文研究的重点是一种称为二碲化钨的拓扑材料，它由堆叠的二维层制成。科学家们已经提出，当材料处于拓扑状态时，这些层中原子的特定排列可以产生所谓的外尔节点，这些节点表现出独特的电子特性，例如零电阻电导率。这些点可以被认为是类似虫洞的特征，它们在材料的相对表面之间传输电子。研究团队开始用太赫兹辐射脉冲来调整材料的特性，太赫兹辐射是一种不可见的光，其波长介于红外线和微波辐射之间。他们的发现让他们大吃一惊：借助光，他们能够在拓扑状态和非拓扑状态之间快速切换材料，有效地关闭并重新打开零电阻状态。
图 9.太赫兹辐射脉冲使拓扑材料二碲化钨中的相邻原子层向相反方向移动，从而扭曲材料的原子结构
06 用超快电子衍射成像CF3I 锥形交叉和光解动力学
锥形交叉点在多原子分子的激发态动力学中起着关键作用，因为它们控制着许多非绝热过程的反应途径。然而，超快探测器缺乏足够的空间分辨率来直接对通过这些交叉点的波包轨迹进行成像。研究团队展示了使用超快气相电子衍射对孤立的CF3I分子中的单光子和双光子激发通道的实验表征。在双光子通道中，研究团队绘制了相干核波包的实空间轨迹，当通过锥形交叉点时，它会分叉到两个势能面上。在单光子通道中，研究团队已经解决了CF3碎片在多个核维度中的伞形和呼吸振动模式的激发。这些发现对从头计算非绝热动力学计算进行了基准测试和验证。
图 10. 衍射图案的实空间分析
小编：当今的科研不仅对新现象的发现感兴趣，对于现象背后的机理分析也越来越关注，这往往就离不开精密仪器的辅助！根据检索，MeV-UED自2014年诞生以来，已发表77篇文章。在仪器连续进阶以来，已有多篇NS正刊，其中仅王西杰教授课题组，今年已发3篇正刊，3年累计6篇NS正刊！相信这台仪器未来会带给我们更多新的发现！
参考文献
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03793-9
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abc0652
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3091
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb2235
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0809-4
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aat0049
https://aca.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5144518 (仪器说明)
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！