Die erste experimentelle Beobachtung von subpikosekunden Elektronenbündeln, die aus einer ultrakalten Quelle stammen.

26. Mai 2023 feature

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Die Identifizierung neuer Quellen, die Elektronen schneller produzieren, könnte dazu beitragen, die vielen bildgebenden Techniken voranzutreiben, die auf Elektronen angewiesen sind. In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel zeigte ein Team von Forschern an der Technischen Universität Eindhoven die Streuung von Sub-Pikosekunden-Elektronenbüscheln aus einer ultrakalten Elektronenquelle.

„Unsere Forschungsgruppe arbeitet daran, die nächste Generation von ultra-schnellen Elektronenquellen zu entwickeln, um bildgebende Techniken wie die Ultra-Schnelle Elektronenbeugung auf die nächste Stufe zu bringen“, sagte Tim de Raadt, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org.

„Die Idee, laser-gekühlte ultrakalte Gaswolken als Elektronenquelle zu verwenden, um den Stand der Technik in Helligkeit zu verbessern, wurde erstmals in einem im Jahr 2005 veröffentlichten Artikel vorgestellt. Seitdem haben Forschungsanstrengungen mehrere Versionen einer solchen ultrakalten Elektronenquelle produziert, wobei die neueste (die in dieser Arbeit verwendet wurde) darauf abzielt, die Quelle kompakter, einfacher zu justieren und zu betreiben und stabiler zu machen, wie in einem weiteren früheren Artikel beschrieben, der auch die transversale Elektronenstrahl-Eigenschaften untersuchte.“

Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von de Raadt und seinen Kollegen war es, die Leistung der Art von kompakten Laser-gekühlten ultrakalten Quellen zu untersuchen, die in ihrer früheren Arbeit identifiziert wurden, insbesondere in Bezug auf ihre longitudinalen Strahleigenschaften. Durch ein besseres Verständnis der Physik hinter dieser Quelle könnten sie deren Leistung optimieren und deren Verwendung zur Weiterentwicklung bildgebender Techniken ermöglichen.

Die Quelle der Forscher wurde durch die Photoionisation von Laser-gekühltem Rubidiumgas in einer Gitter-Magnetooptik-Falle mittels eines zweistufigen Prozesses erzeugt. An der Selbstkompressionsstelle dieser Quelle maßen sie Elektronenbüschel mit einer Länge von bis zu 735 ± 7 fs (rms).

„Wir haben einen sehr intensiven Femtosekunden-Laserstrahl auf den Elektronenbüschel an der Position abgefeuert, an der der Elektronenbüschel die kürzeste Bündellänge hat“, erklärte de Raadt. „Wenn der Laserimpuls auf die Elektronen trifft, kann er sie aus dem Büschel streuen, was als 'Ponderomotive Streuung' bezeichnet wird. Mit der Elektronenkamera am Ende der Strahllinie können wir diese Elektronen sehen, die aus dem Büschel herausgeschleudert wurden, als zwei Streifen, die aus dem Elektronenbüschel herauskommen.“

Wenn die Forscher ihren Laserimpuls zu früh oder zu spät auf einen Elektronenbüschel abfeuerten, würden sie ihn nicht treffen und somit auch keine gewünschte Abstrahlung von Elektronen sehen. In ihren Experimenten versuchten sie, festzustellen, wie lange sie diese Elektronen streuen würden (d. h. die Länge des Elektronenbüschels zu messen), indem sie die Verzögerungszeit zwischen dem Abfeuern des Laserimpulses und dem Elektronenbüschel langsam veränderten. Dieses Experiment zeigte, dass der Büschel von Elektronen, der aus ihrer Quelle stammt, im Sub-Pikosekundenbereich lag, was noch nie beobachtet worden war.

„Wir haben festgestellt, dass die longitudinale Strahlqualität (Emittanz) nicht durch die Elektronentemperatur begrenzt wird, wie dies bei der transversalen Strahlqualität (Emittanzen) der Fall ist, sondern durch die Kombination von Ionisationsprozessen (der Art und Weise, wie die Elektronen die Atome verlassen) und der Energiespanne“, sagte de Raadt.

„Darüber hinaus stellt sich heraus, dass der Ionisationsprozess selbst etwa eine Pikosekunde dauert. Daher müssen wir keinen Femtosekunden-Ionisierungslaserpuls verwenden. Wir können die Länge des Ionisationslaserpulses um den Faktor zehn erhöhen, ohne Auswirkungen auf die Bündellänge der Elektronen (longitudinale Qualität) zu haben, was es uns ermöglicht, ein engeres Band und eine präzisere Laserwellenlänge zu verwenden. Dies eröffnet einen neuen Weg zur Verbesserung der transversalen Strahlqualität (Emittanz).“

Die jüngste Arbeit von de Raadt und seinen Kollegen unterstreicht den Wert der kompakten ultrakalten Quelle, die sie zur Erzeugung von ultra-schnellen Elektronenbüscheln entwickelt haben. Darüber hinaus können die Forscher nach der weiteren Untersuchung der Physik und Eigenschaften dieser Quelle nun prognostizieren, wie kurz ihre Elektronenpulse mit hoher Präzision sein werden. Dies ermöglicht es ihnen wiederum, diese Pulse auf Kosten einer Energiespreizung durch die Quelle zu verkürzen oder umgekehrt.

In Zukunft könnten die Erkenntnisse, die von diesem Forscherteam gesammelt wurden, den Weg für die Entwicklung hochleistungsfähiger bildgebender Techniken ebnen, die die Forschung in zahlreichen Bereichen vorantreiben könnten. In ihren nächsten Studien werden de Raadt und seine Kollegen einige der vielversprechendsten Anwendungen der Elektronenquelle untersuchen.

'Now that the physics behind the ultracold electron source is well understood, and the properties have been measured, the source is moving from an experimental proof of principle to a reliable electron source,' de Raadt added.

'This source can be used for various exciting applications, such as potentially single-shot, ultrafast electron crystallography of proteins, which would be revolutionary. As a new novel application, this source would be ideally suited as injector for dielectric laser acceleration. Our future studies will therefore be focused on applications that are only possible using the unique properties of this source.'

Journal information: Physical Review Letters

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