La première observation expérimentale de faisceaux d'électrons subpicoseconde provenant d'une source ultraréfrigérée.

26 mai 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Identifier de nouvelles sources produisant des électrons plus rapidement pourrait aider à faire avancer les nombreuses techniques d'imagerie reposant sur les électrons. Dans un article récent publié dans Physical Review Letters, une équipe de chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven a démontré la diffusion de faisceaux d'électrons subpicoseconde à partir d'une source d'électrons ultrafroids.

'Notre groupe de recherche travaille au développement de la prochaine génération de sources d'électrons ultra-rapides pour pousser les techniques d'imagerie comme la diffraction d'électrons ultra-rapide au niveau suivant', a déclaré Tim de Raadt, l'un des chercheurs ayant mené l'étude, à Phys.org.

'L'idée d'utiliser des nuages de gaz ultra-froid refroidis par laser comme source d'électrons pour améliorer l'état de l'art en matière de luminosité a été introduite pour la première fois dans un article publié en 2005. Depuis lors, les efforts de recherche ont produit plusieurs versions d'une telle source d'électrons ultra-froids, la plus récente (utilisée dans ce travail) se concentrant sur la confection de la source compacte, facile à aligner et à utiliser, et plus stable, comme décrit dans un autre article précédent qui a également étudié les propriétés du faisceau transversal d'électrons. '

L'objectif principal du travail récent de de Raadt et ses collègues était d'évaluer plus avant les performances du type de source ultra-froide compacte refroidie par laser identifiée dans leur travail précédent, en particulier en examinant ses propriétés longitudinales. En comprenant mieux la physique de cette source, ils pourraient optimiser ses performances et permettre son utilisation pour faire progresser les techniques d'imagerie.

La source des chercheurs a été créée en photoionisant du gaz de rubidium refroidi par laser dans un piège magnéto-optique à réseau via un processus en deux étapes. Au point de compression auto de cette source, ils ont mesuré des grappes d'électrons d'une durée aussi courte que 735 ± 7 fs (σ).

‘Nous avons tiré une impulsion laser femtoseconde très intense sur la grappe d'électrons à la position où la grappe d'électrons a la plus courte longueur de grappe’, explique de Raadt. 'Lorsque l'impulsion laser frappe les électrons, elle peut les disperser hors de la grappe, ce qui est appelé "diffusion ponderomotrice". Avec la caméra d'électrons à l'extrémité de la ligne de faisceau, nous pouvons voir ces électrons qui ont été éjectés de la grappe sous la forme de deux rayures sortant de la grappe d'électrons. '

Si les chercheurs tiraient leur impulsion laser sur une grappe d'électrons trop tôt ou trop tard, ils ne la toucheraient pas et ne verraient donc pas la dispersion d'électrons souhaitée. Lors de leurs expériences, ils ont essayé de déterminer pendant combien de temps ils pourraient disperser ces électrons (c'est-à-dire de mesurer la durée de la grappe d'électrons), en modifiant lentement le temps de retard entre la mise à feu de l'impression laser et la grappe d'électrons. Cette expérience a montré que la grappe d'électrons originaire de leur source était à l'échelle subpicoseconde, ce qui n'avait jamais été observé auparavant.

'Nous avons constaté que la qualité du faisceau longitudinal (émissivité) n'est pas limitée par la température des électrons, comme c'est le cas pour la qualité transverse (émissivité) du faisceau, mais plutôt par la combinaison du processus d'ionisation (la manière dont les électrons quittent les atomes) et la diffusion d'énergie', a déclaré de Raadt.

'En outre, puisqu'il s'avère que le processus d'ionisation lui-même prend environ une picoseconde, il n'est pas nécessaire d'utiliser une impulsion laser d'ionisation femtoseconde. Nous pouvons ainsi augmenter la durée de l'impulsion laser d'ionisation d'un facteur de dix sans affecter la longueur de la grappe d'électrons (qualité longitudinale), ce qui nous permet d'utiliser une gamme plus étroite et une longueur d'onde laser plus précise. Cela ouvre une nouvelle voie pour améliorer la qualité du faisceau transverse (émissivité) '

Le travail récent de de Raadt et ses collègues met en évidence la valeur de la source ultrafroide compacte qu'ils ont réalisée pour produire des grappes d'électrons ultra-rapides. En outre, après avoir étudié la physique et les propriétés de cette source plus avant, l'équipe peut maintenant prédire avec une grande précision à quel point ses impulsions d'électrons seront courtes. Cela leur permet à leur tour de raccourcir ces impulsions au détriment de la distribution d'énergie dans la source ou inversement.

À l'avenir, les résultats obtenus par cette équipe de chercheurs pourraient ouvrir la voie au développement de techniques d'imagerie hautement performantes qui pourraient faire avancer la recherche dans de nombreux domaines. Dans leurs prochaines études, de Raadt et ses collègues commenceront à explorer certaines des applications les plus prometteuses de la source d'électrons.

'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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