【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)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(tuán)隊(duì)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(jìn)高精度超快表面探測(cè)成像開(kāi)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(duì)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(cè)。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(huì)愈發(fā)顯著。目前，產(chǎn)生飛秒級(jí)低能電子的方案大多基于單電子模式，對(duì)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(chǎng)探測(cè)中的應(yīng)用。
 

　　研究創(chuàng)新點(diǎn)
 

　　本工作中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)太赫茲表面波實(shí)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)。基于此，團(tuán)隊(duì)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(jìn)至飛秒量級(jí)。該方法無(wú)需獨(dú)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(qiáng)的超快電子源
 

　　通過(guò)點(diǎn)投影成像與衍射實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該壓縮方式能高度保持電子束流的品質(zhì)。進(jìn)而，團(tuán)隊(duì)將所研制的電子槍置于超快點(diǎn)投影成像模式下，開(kāi)展了對(duì)金屬表面等離子體流動(dòng)超快動(dòng)力學(xué)的研究。壓縮后的電子束表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的時(shí)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(duì)電子的壓縮；b. 不同電子能量下的壓縮脈寬；c. 泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)表面場(chǎng)探結(jié)果；d. 不同探測(cè)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(kù)倫排斥力所面臨的時(shí)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(shí)現(xiàn)了電子產(chǎn)生與壓縮環(huán)節(jié)的高度集成。展望未來(lái)，這項(xiàng)工作為在飛秒尺度上研究表面聲子、表面相變及弱場(chǎng)探測(cè)等物理現(xiàn)象提供了強(qiáng)大的新工具。
 

　　上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院博士生蘇大策為本文第一作者，張東方副教授為指導(dǎo)老師。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及陽(yáng)陽(yáng)基金的資助。