Сверхбыстрые электронные импульсы – один из инструментов, который ученые используют для исследования атомного мира. Когда импульсы попадают на атомы в материале, электроны рассеиваются, как волна. Установив детектор и проанализировав картину интерференции волн, ученые могут определять такую информацию, как расстояние между атомами. В традиционной технологии электронных импульсов используется статическое магнитное поле для поперечного сжатия электронов.
Однако статическое поле может создавать помехи для источника электронов и образца и приводить к временному искажению электронных импульсов, что может привести к ухудшению качества изображений.
Чтобы избежать проблем, связанных со сжатием статического поля, команда MIT и SIMTech предложила первую полностью оптическую схему для сжатия электронных импульсов в трех измерениях и продемонстрировала жизнеспособность схемы с помощью численного моделирования из первых принципов. В схеме лазерные импульсы, функционирующие как трехмерные линзы как во времени, так и в пространстве, могут сжимать электронные импульсы до аттосекундной длительности и субмикрометровых размеров, обеспечивая новый способ генерации ультракоротких электронных импульсов для сверхбыстрой визуализации аттосекундных явлений.
«Используя эту схему, можно сжимать электронные импульсы на два-три порядка величины в любом измерении или размерах с помощью экспериментально достижимых лазерных импульсов.
Это приводит, например, к сокращению длительности электронного импульса с сотен фемтосекунд до субфемтосекундных масштабов », – сказал Лян Цзе Вонг, ведущий исследователь в команде, который сейчас работает в Сингапурском институте производственных технологий и ранее работал докторант Массачусетского технологического института.
«Примечательно, что схема не включает статических полей и обеспечивает независимое управление сжатием в каждом измерении», – отметил Вонг.
Сжатие электронных импульсов во времени и пространстве
Короткие импульсы имеют решающее значение для высокого временного разрешения в методах сверхбыстрой электронной визуализации. Эти методы позволяют создавать фильмы, которые позволяют ученым в реальном времени наблюдать, как молекулы взаимодействуют в химической реакции или как на структуру материала или микроорганизма влияет введение внешних стимулов.
Чтобы гарантировать, что электронный импульс достигает образца или детектора с желаемыми свойствами, несмотря на межэлектронное отталкивание, установки сверхбыстрой визуализации электронов обычно требуют средств сжатия электронного импульса как в поперечном, так и в продольном направлении.
В традиционных методах обычно используются элементы статического поля, такие как соленоиды, которые представляют собой катушки из проволоки, которые создают однородные магнитные поля, для фокусировки электронных лучей. Использование элементов статического поля может привести к нежелательному наличию статических магнитных полей на источнике электронов (катоде) и образце, а также может вызвать временные искажения при транспортировке ультракоротких электронных импульсов.
Чтобы решить эти проблемы, команда Вонга разработала полностью оптическую схему, которая фокусирует электронные импульсы в трех измерениях с помощью специального типа лазерной моды с "впадиной" (или минимумом) интенсивности в поперечном профиле, которая технически известна как " Оптическая мода Эрмита-Гаусса."Импульсные режимы лазера последовательно поражают движущиеся электроны под наклонным углом, образуя трехмерную ловушку для электронов.
"Чтобы сжать электронный импульс вдоль направления его движения, например, взаимодействие лазера с электроном ускоряет задние электроны и замедляет передние электроны.
По мере распространения электронов задние электроны догоняют передние электроны, что приводит к временному сжатию электронного импульса », – пояснил Вонг. Сила, которую оптическое поле оказывает на электроны, называется оптической пондеромоторной силой, усредненной по времени силой, которая толкает заряженные частицы в изменяющемся во времени поле в области с меньшей интенсивностью.
«Так же, как обычные линзы могут использоваться для фокусировки светового луча, наша конфигурация может использоваться для фокусировки электронного луча. В нашем случае, однако, мы можем выполнять фокусировку не только в размерах, перпендикулярных направлению движения, но и в размерах, параллельных направлению движения.
Следовательно, всю установку можно рассматривать как пространственно-временную линзу для электронов », – сказал Вонг.
Моделируя поля с помощью точных решений уравнений Максвелла и решая уравнение Ньютона-Лоренца, которые вместе описывают классическое оптическое и электромагнитное поведение, Вонг и его сотрудники аналитически и численно продемонстрировали жизнеспособность своей схемы.
Среди их выводов – тот факт, что продольное сжатие чувствительно к углу падения лазерного импульса, который является функцией скорости электронного импульса для оптимальной производительности.
Основным элементом экономии в предлагаемой схеме является то, что один оптический импульс может использоваться для реализации последовательности стадий сжатия. Поскольку схема позволяет повторно использовать лазерные импульсы для дальнейшего сжатия одного и того же электронного импульса (не ограничиваясь одним и тем же размером), можно максимизировать использование одного лазерного импульса и достичь трехмерного сжатия с помощью этого одиночного импульса.
Предлагаемая схема не только представляет большой интерес для получения сверхбыстрых электронных изображений для сжатия как одно-, так и многоэлектронных импульсов, но и для фокусировки других частиц, таких как ускоренные протоны и нейтральные атомы.
Более широкие применения включают создание плоских электронных пучков и создание ультракоротких электронных сгустков для когерентного терагерцового излучения в схемах генерации терагерцового излучения на основе свободных электронов, которые, в свою очередь, имеют широкий спектр приложений от биомедицинской визуализации до безопасности в аэропортах.
Следующим шагом исследовательской группы является демонстрация экспериментальной реализации этой схемы.