【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學張東方副教授及其合作者在太赫茲表面波壓縮技術(shù)上取得新突破。研究團隊構(gòu)建了基于“源壓縮”的電子脈沖調(diào)控新方案，成功解決了低能電子脈沖壓縮的關(guān)鍵技術(shù)難題，為推進高精度超快表面探測成像開辟了新路徑(圖1)。該研究成果以“Terahertz Surface Wave Compression for Low-Energy Electron Diffraction and Imaging”為題近期發(fā)表在《Physical Review Letters》上。
 

圖1 太赫茲表面波壓縮概念圖
 

　　研究背景
 

　　低能電子因具有大散射截面和對表面信息的超高靈敏度，被廣泛應(yīng)用于表面和低維系統(tǒng)探測。然而，隨著電子能量降低，空間電荷效應(yīng)引發(fā)的脈沖展寬現(xiàn)象會愈發(fā)顯著。目前，產(chǎn)生飛秒級低能電子的方案大多基于單電子模式，對系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復(fù)頻率要求極高，這極大地限制了其在超快成像及表面場探測中的應(yīng)用。
 

　　研究創(chuàng)新點
 

　　本工作中，研究團隊通過太赫茲表面波實現(xiàn)了電子的同步加速和壓縮。該方案使表面波直接作用于電子發(fā)射陰極(發(fā)射源)，最大限度地縮短了電子束的傳輸距離，從而顯著抑制了空間電荷效應(yīng)引起的脈沖展寬(圖2)?；诖耍瑘F隊在1.5 keV的加速電壓下，成功產(chǎn)生了脈沖寬度為74 fs、電荷量為0.4 fC的電子脈沖，從而將亞keV低能多電子脈沖的脈寬推進至飛秒量級。該方法無需獨立的壓縮腔體，將電子束的產(chǎn)生、加速與壓縮功能集成于一體化結(jié)構(gòu)，形成了一種緊湊型多功能電子槍。
 

圖2 太赫茲表面波增強的超快電子源
 

　　通過點投影成像與衍射實驗，研究團隊驗證了該壓縮方式能高度保持電子束流的品質(zhì)。進而，團隊將所研制的電子槍置于超快點投影成像模式下，開展了對金屬表面等離子體流動超快動力學的研究。壓縮后的電子束表現(xiàn)出顯著增強的時間分辨率，充分證明了該技術(shù)的有效性與穩(wěn)定性(圖3)。
 

　　圖3 a. 太赫茲表面波對電子的壓縮；b. 不同電子能量下的壓縮脈寬；c. 泵浦探測實驗對表面場探結(jié)果；d. 不同探測位置處電子寬度變化。
 

　　總結(jié)與展望
 

　　該研究成功突破了低能電子探針因庫倫排斥力所面臨的時間分辨率瓶頸，創(chuàng)新性地提出了在電子發(fā)射源直接壓縮的“源壓縮”方案。相較于傳統(tǒng)的“后壓縮”技術(shù)，這一方法結(jié)構(gòu)極為緊湊，實現(xiàn)了電子產(chǎn)生與壓縮環(huán)節(jié)的高度集成。展望未來，這項工作為在飛秒尺度上研究表面聲子、表面相變及弱場探測等物理現(xiàn)象提供了強大的新工具。
 

　　上海交通大學物理與天文學院博士生蘇大策為本文第一作者，張東方副教授為指導老師。該研究獲得了國家自然科學基金、上海市科委、國家重點研發(fā)計劃以及陽陽基金的資助。