لیزرهای فروسرخ و پرتوی x، تصویری از پیوندهای شیمیایی به‌دست‌می‌دهند

[parisa]

دانش‌مندان در ایالات متحده برای اولین بار لیزرهای فروسرخ و پرتوی ایکس را برای مطالعه‌ی ویژگی‌های الکترونیکی ماده به‌کاربسته‌اند. روش‌کار این است که نور فروسرخ را به الماس نمونه‌ای می‌تابانند که با پرتوی ایکس نیز روشن شده‌است. کمی از نور توسط الکترون‌های والانس الماس جذب شده و انرژی‌شان سپس به برخی از پرتوهای ایکس که از نمونه پراکنده‌ می‌شوند، منتقل می‌شود. این به گروه این امکان را می‌دهد که میان پرتوهای ایکس که با الکترون‌های والانس برهم کنش داشته‌اند و آن‌هایی که از



الکترون‌های مغزه‌ی نمونه پراکنده شده‌اند، تفاوت قائل شوند –کاری که تاکنون انجام نشده‌است

.

​

شبیه‌سازی آن‌چه موج‌های ترکیب‌شونده می‌توانند درمورد الماس به ما بگویند
پراش پرتوی ایکس جهانده‌شدن این پرتوها از ابر الکترونی پیرامون هسته‌ی تشکلیل‌دهنده‌ی ماده و مطالعه‌ی نقش تداخل درست‌شده، می‌باشد. هرچند این روش داده‌های فراوانی درمورد ساختار و ترکیب مواد به‌دست می‌دهد، درمورد الکترون‌های فعال شیمیایی والانس نمونه چیز اندکی می‌گوید؛ و این بدان علت است که بیش‌تر الکترون‌های درگیر پراکندگی الکترون‌های «مغزه» هستند، که در فرایندهای شیمیایی وارد نمی‌شوند. بیش از ۴۰ سال پیش از این، فرئوند ایساک و بری لوین در آزمایش‌گاه‌های بل راهی برای بررسی این مساله پیش‌نهاد دادند. آن‌ها اشاره کردند که اگر به نمونه نور لیزری تابانده شود، پاسخ الکترون‌های والانس نوسان در فرکانس لیزر است. سپس کمی از انرژی نوسان در فرایندی به نام «ترکیب موجی» ، به پرتوهای ایکس که از الکترون‌های والانس پراکنده می‌شوند، منتقل می‌شود. نتیجه آن‌که، پرتوهای ایکس پراکنده شده از الکترون‌های والانس در انرژی کمی بالاتری که معادل جمع انرژی‌های پرتوی فرودی و لیزر است، پدیدار می‌شوند. [h=3]شدت بالایی مورد نیاز است این اثر کوچک است، و برای دیدن آن نیاز به باریکه‌ی پرتوی ایکس ِ با شدت بسیار بالایی است –چیزی که تنها اکنون در Linac Coherent Light Source (LCLS) در آزمایش‌گاه‌ شتاب‌دهنده‌ی بین‌المللی SLAC در کالیفرنیا، که این کار اخیر توسط تورنتون گلوور و هم‌کاران در آن انجام شده‌است، دردسترس است. گروه به این علت الماس را مطالعه کرده‌است که هم‌اکنون ویژگی‌های ساختاری و الکترونیکی آن به‌خوبی شناخته‌شده‌اند. و این در حالی است که LCLS لیزر به معنای معمول نبوده و لیزر الکترون‌آزاد (FEL) نامیده‌می‌شود، چراکه پالس‌های لیزرمانند ِ پرتوی ایکس ِ به‌شدت هم‌دوس تولید می‌کند. برای مطالعه‌ی الکترون‌های والانس، گروه هم‌زمان پالس‌های keV ۸ ِ پرتوی ایکس و فروسرخ بر نمونه تاباندند. بیش‌تر ِ پرتوهای ِ ایکس ِ باریکه‌ پراش معمولی دارند و نمونه‌ی الماس را در زاویه‌ی خاصی ترک می‌کنند. اما کمی از پرتوهای ایکس انرژی را از الکترون‌های والانس جذب کرده و کمی انرژی آن‌ها بالاتر می‌رود. این پرتوهای ایکس نمونه را در زایه‌ای کمی متفاوت ترک کرده و به درون یک دریچه هدایت می‌شوند که باریکه‌ی پراشیده‌شده‌ی با شدت بسیار بالاتر (بقیه‌ی پرتوها) را حذف می‌کند. گروه با اندازه‌گیری شدت این پرتوهای ِ ایکس ِ با انرژی ِ بالاتر، با تابعیت از زاویه‌ی پراکندگی، توانست چگالی الکترون‌های والانس را در یک راستای بلور الماس بررسی کند. نتیجه در توافق با آن‌ چیزی بود که درمورد کربن می‌دانستیم؛ و این نشان می‌دهد که این روش همان‌گونه که چشم‌داشته‌ایم کار می‌کند. [h=3]شبیه‌سازی‌های کامپیوتری به‌منظور داشتن یک تصویر سه‌بعدی کامل از چگالی الکترون‌های والانس، لازم است اندازه‌گیری در شماری از جهت‌گیری‌های متفاوت بلور الماس تکرار شود –اندازه‌گیری‌هایی که گروه انجام داده‌است هنوز گزارش نشده‌اند. به‌هرروی، گلوور و هم‌کاران، بنابر نتایج ابتدایی‌شان، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری انجام‌داده‌اند که نمایان‌گر آن‌ است که این اندازه‌گیری‌ها باید تصویری از پیوندهای والانس در بلور الماس به‌دست دهند (به‌ شکل نگاه کنید). اکنون که نشان داده‌شده‌است که اندازه‌گیری‌های ترکیب موجی می‌توانند با استفاده از LCLS انجام شوند، گلوور باور دارد که این روش می تواند برای مطالعه‌ی گستره‌ای از مواد به‌کار رود. او می‌گوید «ساده‌ترین نوع آزمایش‌های پراکندگی با بلورهای هستند، و بسیاری از این‌دست برای آموختن وجود دارند» ... «برای نمونه، نور می‌تواند برای تغییر خواص مغناطیسی در مواد پیش‌رفته به‌کار رود؛ اما هم‌چنان روشن نیست که نور در مقیاس میکروسکوپی چه می‌کند که باعث این تغییرات می‌گردد.» [h=3] [h=3]آماده کردن نور برای فوتوسنتز فراتر از مواد بلوری، گلوور باور دارد که این روش می‌تواند نور را برای فوتوسنتز که در آن انرژی فوتون به انرژی شیمیایی تبدیل گشته و سپس در فرآیندهایی از مرتبه‌ی زمانی «پیکوثانیه» ، منتقل می‌شود، آماده کند. گلوور توضیح می‌دهد «درهم‌تافتگی کوانتومی نقش مهمی را (در فوتوسنتز) بازی می‌کند؛ یک الکترون برانگیخته هم‌زمان بسیاری از مکان‌های متفاوت از نظر مکانی، را جست‌وجو می‌کند تا به‌ترین‌شان برای مسیر انتقال انرژی را بیابد.» ... «بسیار خوب می‌شود اگر بتوانیم پرتوی ایکس و موج نوری را ترکیب کنیم تا تصویر این فرآیند در همان هنگام که رخ می‌دهد، در فضای واقعی به‌دست‌آید؛ تا در مورد جنبه‌های کوانتومی بیش‌تر بیاموزیم.» به‌هرروی، گلوور اشاره می‌کند که ممکن است برای چنین اندازه‌گیری‌هایی لیزرهای پرتوی ایکس با نرخ تکرار بسیار بالاتری از آن‌چه دردست است، لازم شوند. «FELهای آینده قله‌ی روشنایی بالا را با نرخ تکرار بالا درهم خواهند آمیخت، و این ترکیب موقعیت‌های تازه‌ای برای بررسی برهم کنش نور و ماده در ابعاد اتمی به دست‌خواهدداد.»