La primera observación experimental de paquetes de electrones subpicosegundos que se originan de una fuente ultrarfía.

26 de mayo de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Identificar nuevas fuentes que produzcan electrones más rápido podría ayudar a avanzar en las muchas técnicas de imagen que dependen de los electrones. En un reciente artículo publicado en Physical Review Letters, un equipo de investigadores de la Universidad de Tecnología de Eindhoven demostró la dispersión de haces de electrones subpicosegundos desde una fuente de electrones ultrarrápida.

'Nuestro grupo de investigación está trabajando en el desarrollo de la próxima generación de fuentes de electrones ultrarrápidas para mejorar las técnicas de imagen, como la difracción de electrones ultrarrápida', dijo Tim de Raadt, uno de los investigadores que llevaron a cabo el estudio, a Phys.org.

'La idea de utilizar nubes de gas ultrarrío enfriado por láser como fuente de electrones para mejorar el estado del arte en brillo se presentó por primera vez en un artículo publicado en 2005. Desde entonces, los esfuerzos de investigación han producido múltiples versiones de esta fuente de electrones ultrarrío, siendo la más reciente (utilizada en este trabajo) se centra en hacer que la fuente sea compacta, fácil de alinear y operar, y más estable, como se describe en otro artículo anterior que también estudió las propiedades del haz de electrones transversales.'

El objetivo principal del trabajo reciente de de Raadt y sus colegas fue evaluar aún más el rendimiento del tipo de fuente compacta ultrarrío enfriada por láser identificada en su trabajo anterior, particularmente examinando sus propiedades de haz longitudinal. Al comprender mejor la física detrás de esta fuente, podrían optimizar su rendimiento y permitir su uso para avanzar en las técnicas de imagen.

Los investigadores crearon su fuente mediante fotoionización de gas de rubidio enfriado por láser en una trampa magneto-óptica de rejilla mediante un proceso de dos pasos. En el punto de autocompresión de esta fuente, midieron haces de electrones tan cortos como 735±7 fs (rms).

'Disparamos un pulso de láser femtosegundo muy intenso sobre el haz de electrones en la posición en la que el haz de electrones tiene la longitud más corta', explicó de Raadt. 'Cuando el pulso de láser golpea a los electrones, puede dispersarlos fuera del haz, lo que se llama 'dispersión ponderomotiva'. Con la cámara de electrones al final de la línea de haz, podemos ver estos electrones que han sido expulsados ​​del haz como dos rayas que salen del haz de electrones'.

Si los investigadores disparaban su pulso láser en un haz de electrones demasiado pronto o demasiado tarde, no lo golpearían y, por lo tanto, no verían la dispersión deseada de electrones hacia afuera. En sus experimentos, intentaron determinar durante cuánto tiempo podrían dispersar estos electrones (es decir, midiendo la longitud del haz de electrones), cambiando lentamente el tiempo de retraso entre el disparo del pulso láser y el haz de electrones. Este experimento mostró que el haz de electrones que proviene de su fuente estaba en la escala de subpicosegundos, lo que nunca antes había sido observado.

'Descubrimos que la calidad del haz longitudinal (emisión) no está limitada por la temperatura de los electrones, como ocurre con la calidad del haz transversal (emisiones), sino más bien por la combinación del proceso de ionización (la forma en que los electrones abandonan los átomos) y la dispersión de energía', dijo de Raadt.

'Además, como resulta que el propio proceso de ionización dura aproximadamente un picosegundo, no es necesario que usemos un pulso de láser de ionización de femtosegundo. Podemos aumentar la duración del pulso de láser de ionización en un factor de diez sin afectar la longitud del haz de electrones (calidad longitudinal), lo que nos permite usar una banda más estrecha y una longitud de onda de láser más precisa. Esto abre una nueva forma de mejorar la calidad del haz transversal (emisión) '

El trabajo reciente de de Raadt y sus colegas destaca el valor de la fuente compacta ultrarrío que lograron para producir haces de electrones ultrarrápidos. Además, después de estudiar la física y las propiedades de esta fuente aún más, el equipo ahora puede predecir con alta precisión qué tan cortos serán sus pulsos de electrones. Esto, a su vez, les permite acortar estos pulsos a expensas de la dispersión de energía a través de la fuente o viceversa.

En el futuro, los hallazgos reunidos por este equipo de investigadores podrían allanar el camino para el desarrollo de técnicas de imagen altamente efectivas que podrían avanzar en la investigación en numerosos campos. En sus próximos estudios, de Raadt y sus colegas comenzarán a explorar algunas de las aplicaciones más prometedoras de la fuente de electrones.

'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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