圖1(a)太赫茲驅(qū)動孤立亞飛秒電子脈沖產(chǎn)生的系統(tǒng)設(shè)計圖。(b)蝴蝶形諧振器內(nèi)部的電場分布。(c)最終獲得的817as的孤立電子脈沖。(d)入射太赫茲電場與諧振器內(nèi)部增強的電場的對比。(e)初始電子脈沖寬度與太赫茲脈寬的對比。

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術(shù)全國重點實驗室研究團隊在太赫茲驅(qū)動的亞飛秒孤立電子脈沖產(chǎn)生方面取得重要進展。相關(guān)成果以“A Design for Terahertz-driven Isolated Sub-femtosecond Electron Pulse”為題發(fā)表于Applied Physics Express。

孤立電子脈沖是解析物質(zhì)超快動力學的關(guān)鍵探針，尤其是在亞光學周期尺度。當前超快電子顯微鏡雖已實現(xiàn)阿秒尺度電子脈沖串，但其固有的光學重復頻率脈沖串特性，對于弛豫時間較長的超快過程研究構(gòu)成挑戰(zhàn)。因此，能夠提供單次激發(fā)、孤立存在的超短電子脈沖技術(shù)備受期待。

研究團隊從傳統(tǒng)的射頻(RF)偏轉(zhuǎn)腔思路出發(fā)，創(chuàng)新性地將其“壓縮”并提升至太赫茲(THz)頻段。通過一個特殊設(shè)計的蝴蝶形的諧振器，當峰值場強為0.3GV/m的太赫茲脈沖入射時，結(jié)構(gòu)內(nèi)可以在中心區(qū)域產(chǎn)生高達13.9GV/m的強太赫茲電場(場增強因子為40.5)。這個強大的瞬時電場對穿過諧振器的電子束產(chǎn)生劇烈的橫向偏轉(zhuǎn)，電子束在太赫茲電場的零交叉點附近通過時，偏轉(zhuǎn)最小。通過在諧振器下游精準放置一個亞微米孔徑，即可“切片”出該時刻附近未被顯著偏轉(zhuǎn)的孤立電子脈沖。仿真結(jié)果表明，利用該方案，可將當前超快電子顯微鏡中常見的500飛秒初始電子脈沖高效地“切割”成一個持續(xù)時間僅為817阿秒(1阿秒 = 10-18秒)的孤立脈沖。該研究成果不僅為在超快電子顯微鏡中實現(xiàn)阿秒級時間分辨率提供了一種極具潛力的新路徑，也為研究光與物質(zhì)在極端時空尺度上的相互作用、開發(fā)新型超快電子源及相干輻射源開辟了新方向，展現(xiàn)了太赫茲技術(shù)在操控超快電子束方面的獨特優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

相關(guān)工作得到了國家自然科學基金等項目支持。

審核編輯 黃宇