Nyligen, en forskargrupp från Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics vid den kinesiska vetenskapsakademien (CAS) har observerat periodiska elektronbuntfransar inducerade av femtosekundlaserfältet.

Dessa forskare visade för första gången direkt metrologi av attosekund elektrondynamik med en aldrig tidigare skådad tidsupplösning. Detta arbete publicerades i Nature Photonics den 30 november, 2020.

Interaktionen mellan elektroner och fotoner är grundläggande för mikrokosmisk fysik. Uppenbarelsen av ultrasnabb elektrondynamik som drivs av ett ljusfält har lett till stora framsteg inom ultrasnabb elektrondiffraktion och mikroskopi, ultrasnabba kameror, och frielektronlasrar. Dessa underliggande dynamik är dolda under femtosekundens tidsskala, så utforskning och spårning av laddningsdynamik involverade i dessa applikationer kräver en allt större tidsmässig upplösning för att till fullo utnyttja deras potential. Dock, direkt åtkomst till det optiska fältets karakterisering av en fri-elektronpuls förblir utmanande på grund av svårigheter att uppnå fasmatchning mellan det optiska fältet och elektronen.

I den här studien, direkt undersökning av attosekunddynamiken för frilektronpulståg har uppnåtts med en jämförbar upplösning genom en ny utföringsform av det grundläggande konceptet för radavbildning, där randen styrs av ett sub-relativistiskt infrarött laserfält (figur a).

Genom att använda högkontrastlaser och plasmaspegel, den utsända elektronpulsen stannade vid en given fas av det elektriska laserfältet (figur b), vilket i hög grad minskade utmaningarna för synkronisering av timing. Med det reflekterade laserfältet som ett strimmelfält, attosekondelektronpulserna som alstras vid olika optiska cykler kan separeras på tvärs i fjärrfältet.

Enligt fjärrbilden, den tidsmässigt varierande avböjningen "ränder" platsen för elektronerna på skärmen, kartläggning av elektronpulsernas tidsprofil till en rumslig fördelning (figur c). Tre grupper av elektroner matas ut respektive vid den stigande kanten (I), vid det intilliggande området av toppen (II), och vid svansen av laserpulsen (III) upplevde olika ultrasnabba processer inom laserfältet.

Denna experimentella observation bekräftar tillvägagångssättet för att utnyttja tid-till-rum-kartläggning som induceras av ett laserfält för att undersöka laddningens ultrasnabba dynamik i en plasmayta med attosekundupplösning. En omedelbar streckhastighet på upp till 60 μrad/som har uppnåtts, presenterar storleksordningar framsteg i sträckhastigheten över THz -konkurrenter.

Denna direkta rymddomän-strategi öppnar dörren för mångsidig attosekundmätning och banar väg för ljusvågselektronik i framtiden.