首次实验观测到源于超冷光源的亚二十秒电子束

用于激光冷却的超冷电子源的核心光栅。资料来源：TU/e, Bart van Overbeeke.

找出能更快地产生电子的新源，有助于推动许多依赖电子的成像技术。在最近发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，埃因霍温科技大学的一个研究小组展示了来自超冷电子源的亚皮秒电子束的散射。

"我们的研究小组正在努力开发下一代超快电子源，以将超快电子衍射等成像技术推向新的水平，"进行这项研究的研究人员之一Tim de Raadt告诉Phys.org。

"使用激光冷却的超冷气体云作为电子源来提高最先进的亮度的想法在2005年发表的一篇论文中首次提出。从那时起，研究工作已经产生了这种超冷电子源的多个版本，最近的一个版本（在这项工作中使用）侧重于使电子源紧凑，易于对准和操作，并且更加稳定，正如过去另一篇论文所描述的那样，该论文还研究了横向电子束特性。"

de Raadt和他的同事最近工作的主要目的是进一步评估他们以前工作中确定的那种紧凑型激光冷却超冷源的性能，特别是研究其纵向光束特性。通过更好地了解这种源背后的物理学，他们可以优化其性能，并使其用于推进成像技术。

研究人员的实验示意图。资料来源：de Raadt, Franssen & Luiten。(PRL, 2023)

研究人员的源是通过在一个光栅磁光陷阱中通过两步过程使激光冷却的铷气体光离子化而产生的。在这个源的自压缩点，他们测量了短至735±7 fs（rms）的电子束。

"我们在电子束具有最短束长的位置向电子束发射了一个非常强烈的飞秒激光脉冲，"de Raadt解释说。"当激光脉冲击中电子时，它可以将它们从电子束中散射出来，这被称为'思索性散射'。通过光束线末端的电子相机，我们可以看到这些被踢出束的电子，就像两条从电子束中出来的条纹。"

如果研究人员将他们的激光脉冲过早或过晚地射向电子束，他们就不会击中它，从而无法看到理想的电子向外散射。在他们的实验中，他们试图通过慢慢改变激光脉冲发射和电子束之间的延迟时间，来确定他们能够散射这些电子多长时间（即测量电子束的长度）。这个实验表明，源自他们源头的电子束是在亚皮秒级的，这在以前从未被观察到过。

使用强激光脉冲测量电子束长度的电子被散射出主束，图片来源：de Raadt, Franssen & Luiten. (PRL, 2023)

"我们发现，纵向光束质量（发射率）并不像横向光束质量（发射率）那样受到电子温度的限制，而是受到电离过程（电子离开原子的方式）和能量扩散的组合影响，"de Raadt说。

"此外，由于事实证明电离过程本身需要大约一皮秒，我们没有必要使用飞秒电离激光脉冲。因此，我们可以在不影响电子束长度（纵向质量）的情况下将电离激光脉冲长度增加10倍，这使我们可以使用更窄的频带和更精确的激光波长。这为提高横向光束质量（发射率）开辟了一条新途径"。

de Raadt和他的同事们最近的工作突出了他们实现的紧凑型超冷源对于生产超快电子束的价值。此外，在他们进一步研究该源的物理学和属性之后，该团队现在可以高精度地预测其电子脉冲将有多短。这反过来又使他们能够以牺牲能量在源头扩散为代价来缩短这些脉冲，反之亦然。

在未来，这个研究小组收集的发现可能为开发高性能的成像技术铺平道路，从而推动众多领域的研究。在接下来的研究中，de Raadt和他的同事将开始探索电子源的一些最有前景的应用。

"现在，超冷电子源背后的物理学已被充分理解，其特性也已被测量，该电子源正在从一个实验性的原理证明转向一个可靠的电子源，"de Raadt补充说。

"这个源可以用于各种令人兴奋的应用，例如可能的单次拍摄，蛋白质的超高速电子晶体学，这将是革命性的。作为一种新的新颖应用，这种源将非常适合作为电介质激光加速的注入器。因此，我们未来的研究将集中在只有利用该源的独特特性才可能实现的应用上。"

参考资料：

T. C. H. de Raadt et al, Subpicosecond ultracold electron source. Physical Review Letters(2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.205001.

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