Ett team av forskare från Max Born Institute i Berlin har för första gången demonstrerat attosecond-pump attosecond-probe spectroscopy (APAPS) med en repetitionshastighet på 1 kilohertz. Detta blev möjligt genom utvecklingen av en kompakt, intensiv attosekundskälla med en out-of-fokus generation geometri. Tillvägagångssättet öppnar nya vägar för undersökning av extremt snabb elektrondynamik i attosekundsregimen.
Den första generationen attosekundspulser (1 attosekund motsvarar 10 -18 sekunder) vid sekelskiftet har möjliggjort oöverträffade insikter i elektronernas värld. För sitt banbrytande arbete, som först ledde till demonstrationen av attosekundspulser 2001, belönades Anne L'Huillier, Pierre Agostini och Ferenc Krausz med Nobelpriset i fysik 2023.
Nuvarande attosecond-tekniker har dock en viktig nackdel:För att kunna spela in en film i ett pump-probe-experiment måste en attosecond-puls vanligtvis kombineras med en femtosekundspuls (1 femtosekund motsvarar 10 -15 sekunder) vars optiska cykler (några femtosekunder långa) används som en klocka med attosekundsupplösning. Detta utgör en begränsning för undersökningen av elektrondynamik på attosekunders tidsskalor.
Ända sedan den första demonstrationen av attosekundpulser har det varit många forskares dröm att utföra experiment där en första attosekundspumppuls initierar elektrondynamik i en atom, en molekyl eller ett fast tillståndsprov, och där en andra attosekundssond puls förhör systemet vid olika tidsfördröjningar.
Detta mål visade sig vara mycket utmanande eftersom det kräver intensiva attosekundspulser. Den underliggande processen med högharmonisk generering (HHG) är dock mycket ineffektiv. Som ett resultat har endast mycket få proof-of-principe demonstrationer av attosecond-pump attosecond-probe spektroskopi (APAPS) rapporterats, som använde stora inställningar och specialiserade lasersystem som arbetar med låga repetitionshastigheter (10–120 Hertz).
Ett team av forskare från Max Born Institute (MBI) i Berlin har nu visat ett annat tillvägagångssätt, vilket gör att de kan utföra APAPS-experiment med en mycket mer kompakt uppsättning. För detta ändamål använde de en nyckelfärdig körlaser med en kilohertz-repetitionshastighet. Detta resulterade i en betydligt mer stabil verksamhet, vilket är ett nyckelkrav för en framgångsrik implementering av APAPS.
Forskarna använde infraröda laserpulser för att generera attosekundpulser i en gasstråle. I motsats till hur attosekundspulser vanligtvis genereras, kom de dock på idén att placera gasstrålen inte nära det drivande laserfokuset utan på ett avstånd därifrån. Som ett resultat genererades attosekundspulser med en relativt hög pulsenergi och en liten virtuell källstorlek, vilket efter omfokusering gjorde det möjligt för forskarna att få högintensiva attosekundspulser.
Forskarna använde sig av denna stabila och intensiva attosekundskälla genom att utföra ett APAPS-experiment, där argonatomer joniserades av en attosekundspumppuls, vilket resulterade i generering av enkelladdade Ar + joner. Bildandet av dessa joner undersöktes av en attosekundens sondpuls, vilket ledde till ytterligare jonisering och bildandet av dubbelladdat Ar 2+ joner.
Resultaten var en ökning av Ar 2+ jonutbyte på en mycket snabb tidsskala observeras. Detta visar att de inblandade pump- och sondpulserna verkligen har attosekundspulslängder.
De blygsamma infraröda drivpulsenergierna som används i denna studie öppnar vägen för att utföra APAPS-experiment med ännu högre repetitionshastigheter upp till megahertznivån. De lasersystem som krävs för att driva dessa experiment är redan tillgängliga eller under utveckling. Som ett resultat kan det nya konceptet möjliggöra oöverträffade insikter i elektronernas värld på extremt korta tidsskalor, som inte är tillgängliga med nuvarande attosecond-tekniker.
Resultaten publiceras i tidskriften Science Advances .
Mer information: Martin Kretschmar et al, Compact realization of all-attosecond pump-probe spectroscopy, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk9605
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Max Born Institute for Nolinar Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI)
