Recentemente, un gruppo di ricerca dell'Istituto di ottica e meccanica fine di Shanghai dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) ha osservato frange periodiche di fasci di elettroni indotte dal campo laser a femtosecondi.

Questi scienziati hanno dimostrato per la prima volta la metrologia diretta della dinamica degli elettroni ad attosecondi con una risoluzione temporale senza precedenti. Questo lavoro è stato pubblicato in Fotonica della natura il 30 novembre, 2020.

L'interazione di elettroni e fotoni è fondamentale per la fisica microcosmica. La rivelazione della dinamica elettronica ultraveloce guidata da un campo luminoso ha portato a grandi progressi nella diffrazione elettronica e nella microscopia ultraveloci, telecamere ultraveloci, e laser ad elettroni liberi. Queste dinamiche sottostanti sono nascoste sotto la scala temporale dei femtosecondi, quindi l'esplorazione e il monitoraggio delle dinamiche di carica coinvolte in queste applicazioni richiedono una risoluzione temporale sempre maggiore per sfruttare appieno il loro potenziale. Però, l'accesso diretto alla caratterizzazione del campo ottico di un impulso di elettroni liberi rimane difficile a causa delle difficoltà nell'ottenere la corrispondenza di fase tra il campo ottico e l'elettrone.

In questo studio, il sondaggio diretto della dinamica ad attosecondi dei treni di impulsi di elettroni liberi è stato ottenuto con una risoluzione comparabile da una nuova forma di realizzazione del concetto di base di streak imaging, dove lo striscio è controllato da un campo laser infrarosso subrelativistico (Figura a).

Utilizzando laser ad alto contrasto e specchio al plasma, l'impulso elettronico emesso è rimasto in una data fase del campo elettrico laser (Figura b), che ha ampiamente mitigato le sfide di sincronizzazione temporale. Con il campo laser riflesso che funge da campo di striature, gli impulsi di elettroni ad attosecondi generati a diversi cicli ottici possono essere separati trasversalmente nel campo lontano.

Secondo l'immagine in campo lontano, la deflessione temporalmente variabile "striscia" la posizione degli elettroni sullo schermo, mappare il profilo temporale degli impulsi elettronici su una distribuzione spaziale (Figura c). Tre gruppi di elettroni espulsi rispettivamente sul fronte di salita (I), nella regione adiacente del picco (II), e alla coda dell'impulso laser (III) hanno sperimentato diversi processi ultraveloci nel campo laser.

Questa osservazione sperimentale conferma l'approccio di sfruttare la mappatura tempo-spazio indotta da un campo laser per studiare la dinamica ultraveloce delle cariche in una superficie di plasma con risoluzione ad attosecondi. È stata raggiunta una velocità di rigatura istantanea fino a 60 μrad/as, presentando ordini di grandezza progressi nella velocità di striatura rispetto ai concorrenti THz.

Questo approccio diretto nel dominio dello spazio apre le porte alla versatile metrologia ad attosecondi e apre la strada all'elettronica a onde luminose in futuro.