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Erzeugung und Nachweis von Attosekunden-Elektronenpulsen – im Journal Physical Review Letters veröffentlicht

In letzter Zeit sind extrem schnelle Phänomene in der Natur aufgrund der Entwicklung der Attosekunden-Physik direkt zugänglich geworden. Die Abbildung von Atomen und Elektronen in Bewegung erfordert hohe räumliche und zeitliche Auflösung; dies auf Zeitskalen, die kürzer als eine Schwingung des Lichtfeldes sind. Die Bildgebung mit Licht in Form von Attosekunden-Extrem-Ultraviolettpulsen ist durch Beugung und schlechte räumliche Kohärenz der Strahlen begrenzt. Im Gegensatz dazu können hochmoderne Elektronenmikroskope aufgrund der sehr kurzen de Broglie-Wellenlänge von Elektronen, die auf hohe Energien beschleunigt werden, einzelne Atome auflösen. Die Kombination der beiden Ansätze, nämlich Elektronensonden von ultrakurzer (Femtosekunden-) Dauer zu verwenden, ist die Grundlage für ultraschnelle Elektronenmikroskopie und -beugung. Dies ermöglicht die Abbildung der Dynamik von Phasenübergängen, chemischen Reaktionen oder magnetischen Domänen. Die Beobachtung einer noch schnelleren Dynamik (Elektronenwellenpaketbewegung, kohärente Gitterschwingungen, phasenaufgelöste optische Nahfeldbildgebung usw.) ist nun möglich durch Kompressionsverfahren, die Attosekunden-Elektronenpulse erzeugen. Bei neuen Elektronenbeschleunigungsansätzen, bei denen die Beschleunigung durch Licht erreicht wird, sind Elektronenpulse kürzer als eine optische Periode erforderlich. Hier führt nur das perfekte Timing der Elektronenankunft in Bezug auf das mit der optischen Frequenz oszillierende Feld zu einer effizienten Beschleunigung.

Wie wir in dieser Veröffentlichung zeigen, werden die Elektronenpulsfolgen mit individuellen Pulsdauern, die kürzer als 1 fs sind, sowohl erzeugt als auch detektiert. Dies geschieht unter Verwendung der ponderomotiven Wechselwirkung mit optischen Wanderwellen, die durch zweifarbige Laserpulse im Vakuum gebildet werden. Die zeitliche Entwicklung der Elektronendichteverteilung in der Pulsfolge wird durch eine erneute Wechselwirkung mit einer zweiten phasenstarren Wanderwelle abgebildet. Elektronenpulse von bis zu 300 Attosekunden werden nach einer Ausbreitungsdistanz von weniger als 100 Mikrometer erzeugt. Im Vergleich zu anderen Techniken, die auf der Wechselwirkung mit optischen Nahfeldern basieren, ist der ponderomotive Ansatz nicht durch die optische Zerstörschwelle der Nanostrukturen beschränkt, sowohl in der Spitzen- als auch in der Durchschnittsleistung. Die vorgestellten Ergebnisse ebnen den Weg zu Anwendungen von Attosekunden-Elektronenpulsen, die durch ponderomotive Kompression erzeugt werden, in ultraschnellen Elektronenbeugungs- und Mikroskopie-Experimenten.

Der Originalbeitrag ist hier zu finden.