Новости

Jun 27, 2023

Аттосекундная автоэмиссия

Nature том 613, страницы 662–666 (2023) Цитировать эту статью 14k Доступов 8 Цитирований 195 Подробности об альтметрических метриках Полевая эмиссия электронов лежит в основе больших достижений науки и техники, начиная от

Nature, том 613, страницы 662–666 (2023 г.) Процитировать эту статью

14 тысяч доступов

8 цитат

195 Альтметрика

Подробности о метриках

Полевая эмиссия электронов лежит в основе огромных достижений науки и техники, начиная от обработки сигналов на все более высоких частотах1 и заканчивая получением изображений структуры вещества в атомном масштабе2 с пикометровым разрешением. Развитие методов электронной микроскопии, обеспечивающих полную визуализацию материи в исходных пространственных (пикометровых) и временных (аттосекундных) масштабах динамики электронов, требует методов, которые могут ограничивать и исследовать автоэлектронную эмиссию на субфемтосекундных интервалах времени. Мощные лазерные импульсы проложили путь к этой цели3,4, продемонстрировав фемтосекундное ограничение5,6 и субоптический циклический контроль7,8 оптической полевой эмиссии9 из наноструктурированных металлов. Однако измерение аттосекундных электронных импульсов остается невозможным. Мы использовали интенсивные субцикловые световые переходные процессы для индукции оптической полевой эмиссии электронных импульсов из вольфрамовых наноострий и слабую копию того же переходного процесса для непосредственного исследования динамики эмиссии в реальном времени. Доступ к временным свойствам электронных импульсов, перерассеяющихся на поверхности иглы, включая длительность τ = (53 ас ± 5 ас) и чирп, а также прямое исследование наноразмерных ближних полей открывают новые перспективы для исследований и приложений на границе аттосекундных волн. физика и нанооптика.

Взаимодействие атомов и молекул с интенсивными лазерными полями приводит к возникновению аттосекундных электронных импульсов10, которые могут изучать структуру и динамику этих систем при столкновении с их родительским ионом11. Аттосекундные методы12 теперь могут получить доступ к временному профилю повторно сталкивающихся электронных импульсов и сопутствующей структурной динамике13,14 в их родительских ионах путем измерения переходных свойств высоких гармоник15, излучаемых во время взаимодействия. Исследования взаимодействия интенсивных лазерных полей с наноструктурированными металлами за последние два десятилетия показали, что полуклассические концепции3,4,5,6,7,8,9,16,17, разработанные ранее для описания динамики электронов в атомах, могут позволить себе центральную роль в понимании оптической полевой электронной эмиссии. По аналогии с атомами, электроны, высвободившиеся из вершины наноострия в гребне поля интенсивного лазерного импульса, также должны формировать ультракороткие электронные импульсы (рис. 1а, вставка), которые при повторном столкновении с поверхностью острия примерно на три четверти лазерный период (T ≈ 2 фс) позже — можно было бы исследовать как динамику, так и структуру. Из-за сверхкороткого временного интервала между событиями эмиссии и рестолкновения, а также в отличие от других новых электронно-импульсных технологий18,19,20,21, волновой пакет электронного импульса должен претерпевать незначительное временное расширение, что позволяет ограничить его временными рамками субцикла. .

а — Упрощенная схема экспериментальной установки. Субциклический импульс (оранжевая кривая) пространственно разделяется и фокусируется с помощью модуля двойного вогнутого никелевого зеркала. Временная задержка между импульсами, отраженными внутренним и внешним зеркалами, вводится пьезоэлементом. В фокусе лазера можно расположить вольфрамовые наноострия (радиус вершины около 35 нм) или газовую струю атомов неона. Спектры испускаемых электронов регистрируются времяпролетным спектрометром (угол приема около 6°), расположенным примерно в 3 мм после источника электронов и ориентированным вдоль оси поляризации лазера. На вставке показано, что электроны, отмеченные зеленой заштрихованной кривой, (i) освобождаются и ускоряются интенсивным лазерным полем с образованием электронного импульса, который при повторном столкновении с поверхностью наноострия (ii) может исследовать как динамику, так и структуру. . При обратном рассеянии от поверхности иглы (iii) электронный импульс дополнительно ускоряется лазером, чтобы покинуть зону взаимодействия. б, Общий выход электронов на импульс как функция увеличения пиковой интенсивности возбуждающих лазерных импульсов (желтые точки) и его линейной аппроксимации (фиолетовая линия) в логарифмическом масштабе. в — Электронные спектры вольфрамового наноострия (ложный цвет в логарифмическом масштабе) в зависимости от пиковой интенсивности. Звездочки и точки обозначают энергии отсечки. Черные и серые пунктирные линии показывают линейную зависимость энергии отсечки от пиковой интенсивности падающего лазерного импульса. г, Оптические эмиссионные электронные спектры вольфрамового наноострия (красная кривая) и атомов неона (синяя кривая) для почти одинаковой пиковой интенсивности (около 40 ТВт/см2). д. То же, что и в, но для атомов неона.