上海超强超短激光实验团队实现阿秒电子动力学直接测量

2021-01-26

拍摄超高时间分辨的原子电影是科学家的梦想,1999年诺贝尔化学奖获得者Ahmed H. Zewail利用飞秒光谱学研究化学反应的过渡态,使人们对于超快过程的研究延伸到了飞秒(fs,10-15 s)尺度。自然界中基本的物质相互作用,如原子、分子和凝聚态系统内部的基本现象发生在阿秒(as, 10-18 s)量级,比光波的一个周期还短。要想对这些超快的相互作用进行诊断,时间分辨率需要低于光波一个振荡周期。

如何实现一种全新的超快诊断手段,并同时兼具超高时空分辨率,是超快科学领域广泛关注的重要科学问题。而电子波长接近原子尺度,因此超快电子衍射被认为是实现这一目标的主要方法,但到目前为止,超快电子显微技术尚未实现阿秒量级光与物质相互作用的观测。因此,阿秒电子脉冲的产生及度量是一项关键科学问题。


图1 光场直接度量阿秒电子动力学实验示意图。

中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究人员采用近相对论强度高对比度飞秒激光脉冲入射至反射镜表面(图1),在此简易构型下反射激光与镜面发射的阿秒电子脉冲在锁相机制下实现时空同步,在实验中观测到电子在光场调制下的空间条纹图。


图2 电子在光场下的相位分布图(a)与电子相空间分布图(b)。

图2展示了不同空间分布电子的来源(a)及其相空间分布(b)。周期性发射的阿秒电子脉冲在激光场调制下发生空间偏转,这一作用过程把电子按时间到来的先后顺序转换成了空间分布,由实验中观测到的空间图像可直接反馈电子在光场作用下的阿秒动力学特征。


图3 “全光阿秒电子示波器”概念图

该工作证实了近红外“全光阿秒电子示波器”(图3)的可行性,该“全光阿秒电子示波器”中“偏压”光电场周期2.67 fs/场强1012 V /m,瞬时扫描速度可达60 μrad/as,而其时间分辨率比太赫兹波电子学高3个数量级,此工作为实现全光阿秒电子度量学提供了新的思路。

相关研究成果以“Direct mapping of attosecond electron dynamics”为题于2020年11月30日在线发表在Nature Photonics。

研究工作得到中国科学院先导B类专项、国家自然科学基金优秀青年项目、中科院基础前沿科学研究计划等支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41566-020-00730-6