Forskere demonstrerer laser direkte kortlægning af attosekunds elektrondynamik

For nylig, en forskergruppe fra Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ved det kinesiske videnskabsakademi (CAS) har observeret periodiske elektronbundte frynser induceret af femtosekund-laserfeltet.

Disse videnskabsmænd demonstrerede for første gang direkte metrologi af attosekunds elektrondynamik med hidtil uset tidsmæssig opløsning. Dette værk blev udgivet i Naturfotonik den 30. november, 2020.

Samspillet mellem elektroner og fotoner er grundlæggende for mikrokosmisk fysik. Afsløringen af ​​ultrahurtig elektrondynamik drevet af et lysfelt har ført til store fremskridt inden for ultrahurtig elektrondiffraktion og mikroskopi, ultrahurtige streak-kameraer, og fri-elektron lasere. Denne underliggende dynamik er skjult under femtosekunds tidsskala, så udforskningen og sporingen af ​​ladningsdynamikken involveret i disse applikationer kræver en stadig større tidsmæssig opløsning for fuldt ud at udnytte deres potentiale. Imidlertid, direkte adgang til den optiske feltkarakterisering af en fri-elektronimpuls forbliver udfordrende på grund af vanskeligheder med at opnå fasetilpasning mellem det optiske felt og elektronen.

I dette studie, direkte sondering af attosekunddynamikken i frie elektronimpulstog er blevet opnået med en sammenlignelig opløsning ved en ny udførelsesform af det grundlæggende koncept for streak imaging, hvor strigningen styres af et subrelativistisk infrarødt laserfelt (figur a).

Ved at bruge højkontrastlaser og plasmaspejl, den udsendte elektronimpuls forblev ved en given fase af laserens elektriske felt (figur b), hvilket i vid udstrækning mindskede udfordringer med timingsynkronisering. Med det reflekterede laserfelt, der fungerer som et stribefelt, attosekund-elektronimpulserne genereret ved forskellige optiske cyklusser kan adskilles på tværs i fjernfeltet.

Ifølge fjernfeltbilledet, den tidsmæssigt varierende afbøjning "striber" placeringen af ​​elektronerne på skærmen, kortlægning af den tidsmæssige profil af elektronimpulserne til en rumlig fordeling (figur c). Tre grupper af elektroner udstødt henholdsvis ved den stigende kant (I), i det tilstødende område af toppen (II), og i halen af ​​laserpulsen (III) oplevede forskellige ultrahurtige processer i laserfeltet.

Denne eksperimentelle observation bekræfter tilgangen til at udnytte tid-til-rum-kortlægning induceret af et laserfelt til at undersøge den ultrahurtige dynamik af ladninger i en plasmaoverflade med attosekundsopløsning. Der er opnået en øjeblikkelig stribehastighed på op til 60 μrad/as, præsenterer størrelsesordener fremskridt i streaking-hastigheden over THz-konkurrenter.

Denne direkte rumdomænetilgang åbner døren for alsidig attosecond-metrologi og baner vejen for lysbølgeelektronik i fremtiden.