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Jun 27, 2023

Emissione di campo ad attosecondi

Nature volume 613, pagine 662–666 (2023) Cita questo articolo 14k Accessi 8 Citazioni 195 Dettagli sulle metriche alternative L'emissione di campo di elettroni è alla base di grandi progressi nella scienza e nella tecnologia, che vanno

Natura volume 613, pagine 662–666 (2023) Citare questo articolo

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8 citazioni

195 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

L’emissione di campo di elettroni è alla base di grandi progressi nella scienza e nella tecnologia, che vanno dall’elaborazione del segnale a frequenze sempre più elevate1 all’imaging della struttura su scala atomica della materia2 con risoluzione picometrica. Il progresso delle tecniche di microscopia elettronica per consentire la visualizzazione completa della materia sulle scale spaziali (picometro) e temporali (attosecondi) native della dinamica elettronica richiede tecniche in grado di confinare ed esaminare l'emissione del campo su intervalli di tempo inferiori al femtosecondo. Intensi impulsi laser hanno aperto la strada a questo scopo3,4 dimostrando il confinamento dei femtosecondi5,6 e il controllo del ciclo sub-ottico7,8 dell'emissione del campo ottico9 da metalli nanostrutturati. Tuttavia, la misurazione degli impulsi elettronici ad attosecondi è rimasta sfuggente. Abbiamo utilizzato intensi transitori di luce sub-ciclo per indurre l'emissione di campo ottico di impulsi elettronici da nanopunte di tungsteno e una debole replica dello stesso transitorio per indagare direttamente la dinamica dell'emissione in tempo reale. L'accesso alle proprietà temporali degli impulsi elettronici che si rifrangono dalla superficie della punta, inclusa la durata τ = (53 as ± 5 as) e il chirp, e l'esplorazione diretta di campi vicini su scala nanometrica aprono nuove prospettive per la ricerca e le applicazioni all'interfaccia degli attosecondi fisica e nanoottica.

L'interazione di atomi e molecole con intensi campi laser dà origine a impulsi elettronici ad attosecondi10 che possono studiare la struttura e la dinamica di questi sistemi in caso di ricollisione con il loro ione genitore11. Le tecniche degli attosecondi12 possono ora accedere al profilo temporale degli impulsi elettronici in collisione e alle concomitanti dinamiche strutturali13,14 nei loro ioni principali misurando le proprietà transitorie delle armoniche elevate15 emesse durante l'interazione. Gli studi sull’interazione di intensi campi laser con metalli nanostrutturati negli ultimi due decenni hanno suggerito che i concetti semiclassici3,4,5,6,7,8,9,16,17 sviluppati in precedenza per descrivere la dinamica degli elettroni negli atomi possono fornire un punto centrale ruolo nella comprensione dell'emissione di elettroni nel campo ottico. In analogia con gli atomi, gli elettroni liberati dall'apice di una nanopunta sulla cresta del campo di un intenso impulso laser dovrebbero anche formare impulsi elettronici ultracorti (Fig. 1a, riquadro), che, in caso di collisione con la superficie della punta, circa tre quarti della il periodo laser (T ≈ 2 fs) più tardi, potrebbe esaminare sia la dinamica che la struttura. A causa dell'intervallo di tempo ultrabreve tra gli eventi di emissione e di collisione, e in contrasto con altre tecnologie emergenti di impulsi elettronici18,19,20,21, il pacchetto d'onde di impulsi elettronici subirà una diffusione temporale trascurabile, consentendone il confinamento su scale temporali sub-cicliche .

a, schema semplificato dell'apparato sperimentale. Un impulso sottociclo (curva arancione) è spazialmente separato e focalizzato da un doppio modulo specchio Ni concavo. Uno stadio piezoelettrico introduce un ritardo temporale tra gli impulsi riflessi dagli specchi interno ed esterno. Nel fuoco del laser possono essere posizionate nanopunte di tungsteno (raggio apicale di circa 35 nm) o un getto di gas di atomi di neon. Gli spettri degli elettroni emessi vengono registrati da uno spettrometro a tempo di volo (angolo di accettazione di circa 6°) posizionato circa 3 mm a valle della sorgente di elettroni e allineato lungo l'asse di polarizzazione del laser. L'inserto mostra che gli elettroni contrassegnati dalla curva ombreggiata in verde sono (i) liberati e accelerati dall'intenso campo laser per formare un impulso elettronico che, in caso di collisione con la superficie del nanotip, (ii) può indagare sia la dinamica che la struttura . Durante la retrodiffusione dalla superficie della punta, (iii) l'impulso elettronico viene ulteriormente accelerato dal laser per sfuggire all'area di interazione. b, Resa totale di elettroni per impulso in funzione dell'aumento dell'intensità di picco degli impulsi laser guidanti (punti gialli) e del suo adattamento lineare (linea viola) su scala logaritmica. c, Spettri elettronici dal nanotip di tungsteno (falso colore in scala logaritmica) rispetto all'intensità di picco. Stelle e punti indicano le energie di taglio. Le linee tratteggiate nere e grigie mostrano l'adattamento lineare dell'energia di taglio rispetto all'intensità di picco incidente dell'impulso laser. d, Spettri elettronici di emissione ottica dal nanotip di tungsteno (curva rossa) e dagli atomi di neon (curva blu) per un'intensità di picco quasi identica (circa 40 TW cm−2). e, Come in c ma per gli atomi di neon.