Onlangs, een onderzoeksgroep van het Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics van de Chinese Academy of Sciences (CAS) heeft periodieke elektronenbundelranden waargenomen die worden geïnduceerd door het femtoseconde laserveld.

Deze wetenschappers demonstreerden voor het eerst directe metrologie van attoseconde elektronendynamica met ongekende temporele resolutie. Dit werk is gepubliceerd in Natuurfotonica op 30 november, 2020.

De interactie van elektronen en fotonen is fundamenteel voor de microkosmische fysica. De onthulling van ultrasnelle elektronendynamica aangedreven door een lichtveld heeft geleid tot grote vooruitgang in ultrasnelle elektronendiffractie en microscopie, ultrasnelle strookcamera's, en vrije-elektronenlasers. Deze onderliggende dynamiek is verborgen onder de femtoseconde tijdschaal, dus de verkenning en het volgen van de ladingsdynamiek die bij deze toepassingen betrokken is, vereist een steeds grotere temporele resolutie om hun potentieel volledig te benutten. Echter, directe toegang tot de karakterisering van het optische veld van een vrije-elektronenpuls blijft een uitdaging vanwege de moeilijkheden bij het bereiken van fase-aanpassing tussen het optische veld en het elektron.

In dit onderzoek, directe sondering van de attoseconde dynamiek van vrije elektronen pulstreinen is bereikt met een vergelijkbare resolutie door een nieuwe uitvoering van het basisconcept van streak imaging, waarbij de strepen worden gecontroleerd door een subrelativistisch infrarood laserveld (Figuur a).

Door gebruik te maken van een hoog contrast laser en plasma spiegel, de uitgezonden elektronenpuls bleef in een bepaalde fase van het elektrische laserveld (Figuur b), waardoor de uitdagingen op het gebied van timingsynchronisatie grotendeels werden verzacht. Met het gereflecteerde laserveld als een streepveld, de attoseconde elektronenpulsen die bij verschillende optische cycli worden gegenereerd, kunnen in het verre veld transversaal worden gescheiden.

Volgens het verre veldbeeld, de tijdelijk variërende afbuiging "strepen" de locatie van de elektronen op het scherm, het tijdelijke profiel van de elektronenpulsen in kaart brengen op een ruimtelijke verdeling (Figuur c). Drie groepen elektronen die respectievelijk bij de stijgende flank (I) worden uitgestoten, in het aangrenzende gebied van de piek (II), en aan de staart van de laserpuls (III) ervoeren verschillende ultrasnelle processen in het laserveld.

Deze experimentele observatie bevestigt de benadering van het benutten van tijd-naar-ruimte mapping geïnduceerd door een laserveld om de ultrasnelle dynamiek van ladingen in een plasma-oppervlak met een resolutie van attoseconden te onderzoeken. Een onmiddellijke streepsnelheid tot 60 rad/as is bereikt, het presenteren van orden van grootte vooruitgang in de streaking-snelheid ten opzichte van THz-concurrenten.

Deze directe ruimte-domeinbenadering opent de deur voor veelzijdige attoseconde metrologie en effent de weg naar lichtgolfelektronica in de toekomst.