用于激光冷卻的超冷電子源的核心光柵

用于激光冷卻的超冷電子源的核心光柵。資料來(lái)源：TU/e, Bart van Overbeeke.

找出能更快地產(chǎn)生電子的新源，有助于推動(dòng)許多依賴電子的成像技術(shù)。在最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一篇論文中，埃因霍溫科技大學(xué)的一個(gè)研究小組展示了來(lái)自超冷電子源的亞皮秒電子束的散射。

"我們的研究小組正在努力開(kāi)發(fā)下一代超快電子源，以將超快電子衍射等成像技術(shù)推向新的水平，"進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一Tim de Raadt告訴Phys.org。

"使用激光冷卻的超冷氣體云作為電子源來(lái)提高最先進(jìn)的亮度的想法在2005年發(fā)表的一篇論文中首次提出。從那時(shí)起，研究工作已經(jīng)產(chǎn)生了這種超冷電子源的多個(gè)版本，最近的一個(gè)版本（在這項(xiàng)工作中使用）側(cè)重于使電子源緊湊，易于對(duì)準(zhǔn)和操作，并且更加穩(wěn)定，正如過(guò)去另一篇論文所描述的那樣，該論文還研究了橫向電子束特性。"

de Raadt和他的同事最近工作的主要目的是進(jìn)一步評(píng)估他們以前工作中確定的那種緊湊型激光冷卻超冷源的性能，特別是研究其縱向光束特性。通過(guò)更好地了解這種源背后的物理學(xué)，他們可以優(yōu)化其性能，并使其用于推進(jìn)成像技術(shù)。

研究人員的實(shí)驗(yàn)示意圖。資料來(lái)源：de Raadt, Franssen & Luiten。(PRL, 2023)

研究人員的源是通過(guò)在一個(gè)光柵磁光陷阱中通過(guò)兩步過(guò)程使激光冷卻的銣氣體光離子化而產(chǎn)生的。在這個(gè)源的自壓縮點(diǎn)，他們測(cè)量了短至735±7 fs（rms）的電子束。

"我們?cè)陔娮邮哂凶疃淌L(zhǎng)的位置向電子束發(fā)射了一個(gè)非常強(qiáng)烈的飛秒激光脈沖，"de Raadt解釋說(shuō)。"當(dāng)激光脈沖擊中電子時(shí)，它可以將它們從電子束中散射出來(lái)，這被稱為'思索性散射'。通過(guò)光束線末端的電子相機(jī)，我們可以看到這些被踢出束的電子，就像兩條從電子束中出來(lái)的條紋。"

如果研究人員將他們的激光脈沖過(guò)早或過(guò)晚地射向電子束，他們就不會(huì)擊中它，從而無(wú)法看到理想的電子向外散射。在他們的實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)噲D通過(guò)慢慢改變激光脈沖發(fā)射和電子束之間的延遲時(shí)間，來(lái)確定他們能夠散射這些電子多長(zhǎng)時(shí)間（即測(cè)量電子束的長(zhǎng)度）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，源自他們?cè)搭^的電子束是在亞皮秒級(jí)的，這在以前從未被觀察到過(guò)。

使用強(qiáng)激光脈沖測(cè)量電子束長(zhǎng)度的電子被散射出主束，圖片來(lái)源：de Raadt, Franssen & Luiten. (PRL, 2023)

"我們發(fā)現(xiàn)，縱向光束質(zhì)量（發(fā)射率）并不像橫向光束質(zhì)量（發(fā)射率）那樣受到電子溫度的限制，而是受到電離過(guò)程（電子離開(kāi)原子的方式）和能量擴(kuò)散的組合影響，"de Raadt說(shuō)。

"此外，由于事實(shí)證明電離過(guò)程本身需要大約一皮秒，我們沒(méi)有必要使用飛秒電離激光脈沖。因此，我們可以在不影響電子束長(zhǎng)度（縱向質(zhì)量）的情況下將電離激光脈沖長(zhǎng)度增加10倍，這使我們可以使用更窄的頻帶和更精確的激光波長(zhǎng)。這為提高橫向光束質(zhì)量（發(fā)射率）開(kāi)辟了一條新途徑"。

de Raadt和他的同事們最近的工作突出了他們實(shí)現(xiàn)的緊湊型超冷源對(duì)于生產(chǎn)超快電子束的價(jià)值。此外，在他們進(jìn)一步研究該源的物理學(xué)和屬性之后，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以高精度地預(yù)測(cè)其電子脈沖將有多短。這反過(guò)來(lái)又使他們能夠以犧牲能量在源頭擴(kuò)散為代價(jià)來(lái)縮短這些脈沖，反之亦然。

在未來(lái)，這個(gè)研究小組收集的發(fā)現(xiàn)可能為開(kāi)發(fā)高性能的成像技術(shù)鋪平道路，從而推動(dòng)眾多領(lǐng)域的研究。在接下來(lái)的研究中，de Raadt和他的同事將開(kāi)始探索電子源的一些最有前景的應(yīng)用。

"現(xiàn)在，超冷電子源背后的物理學(xué)已被充分理解，其特性也已被測(cè)量，該電子源正在從一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的原理證明轉(zhuǎn)向一個(gè)可靠的電子源，"de Raadt補(bǔ)充說(shuō)。

"這個(gè)源可以用于各種令人興奮的應(yīng)用，例如可能的單次拍攝，蛋白質(zhì)的超高速電子晶體學(xué)，這將是革命性的。作為一種新的新穎應(yīng)用，這種源將非常適合作為電介質(zhì)激光加速的注入器。因此，我們未來(lái)的研究將集中在只有利用該源的獨(dú)特特性才可能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用上。"

參考資料：

T.?C.?H. de Raadt et al, Subpicosecond ultracold electron source. Physical Review Letters(2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.205001.