La prima osservazione sperimentale di pacchetti di elettroni subpico di secondo originati da una fonte ultraraffreddata.

26 maggio 2023 funzionalità

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da Ingrid Fadelli, Phys.org

Identificare nuove fonti che producono elettroni più velocemente potrebbe contribuire ad avanzare molte tecniche di imaging che si basano sull'utilizzo di elettroni. In un recente articolo pubblicato su Physical Review Letters, un team di ricercatori dell'Università di Tecnologia di Eindhoven ha dimostrato la diffusione di pacchetti di elettroni subpicosecondi provenienti da una sorgente di elettroni ultrafreddi. 

"Il nostro gruppo di ricerca sta lavorando per sviluppare la prossima generazione di sorgenti di elettroni ultra-veloci per spingere le tecniche di imaging come la diffrazione di elettroni ultra-veloci al livello successivo", ha detto a Phys.org Tim de Raadt, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio.

"L'idea di utilizzare nubi di gas ultrafreddo raffreddato con laser come sorgente di elettroni per migliorare la tecnologia di luminosità è stata introdotta per la prima volta in un lavoro pubblicato nel 2005. Da allora, gli sforzi di ricerca hanno prodotto più versioni di tale sorgente di elettroni ultrafreddi, con l'ultima versione (utilizzata in questo lavoro) incentrata sulla creazione di una sorgente compatta, facile da allineare e gestire, e più stabile, come descritto in un altro lavoro passato che ha anche studiato le proprietà del fascio di elettroni trasversale".

L'obiettivo primario del recente lavoro di de Raadt e dei suoi colleghi era quello di valutare ulteriormente le prestazioni del tipo di sorgente ultrafredda laser compatta identificata nel loro lavoro precedente, in particolare osservando le sue proprietà di fascio longitudinale. Comprendendo meglio la fisica dietro questa sorgente, hanno potuto ottimizzarne le prestazioni e consentirne l'utilizzo per far avanzare le tecniche di imaging.

La sorgente dei ricercatori è stata creata attraverso un processo a due fasi di fotoionizzazione del gas di rubidio ultrafreddo, raffreddato con laser, in una trappola magneto-ottica a reticolo. Nel punto di auto-compressione di questa sorgente, hanno misurato pacchetti di elettroni lunghi solo 735±7  fs (rms).

"Abbiamo sparato un impulso laser femtosecondo molto intenso sul pacchetto di elettroni nella posizione in cui ha la lunghezza più corta", ha spiegato de Raadt. "Quando l'impulso laser colpisce gli elettroni, può disperderli dal pacchetto, che viene chiamato "diffusione ponderomotiva". Con la telecamera per gli elettroni alla fine della linea del fascio, possiamo vedere questi elettroni che sono stati espulsi dal pacchetto come due strisce che escono dal pacchetto di elettroni."

Se i ricercatori avessero sparato il loro impulso laser su un pacchetto di elettroni troppo presto o troppo tardi, non lo avrebbero colpito e non avrebbero quindi visto la diffusione desiderata degli elettroni verso l'esterno. Nei loro esperimenti, hanno cercato di determinare per quanto tempo sarebbero stati in grado di diffondere questi elettroni (cioè misurando la lunghezza del pacchetto di elettroni), cambiando lentamente il tempo di ritardo tra la sparatoria dell'impulso laser e il pacchetto di elettroni. Questo esperimento ha dimostrato che il pacchetto di elettroni originante dalla loro sorgente si trovava nella scala sub-picosecondo, il che non era mai stato osservato prima.

"Abbiamo scoperto che la qualità del fascio longitudinale (emittance) non è limitata dalla temperatura degli elettroni, come avviene per la qualità del fascio trasversale (emittanze), ma piuttosto dalla combinazione del processo di ionizzazione (il modo in cui gli elettroni lasciano gli atomi) e dalla diffusione di energia", ha detto de Raadt.

"Inoltre, poiché il processo di ionizzazione stesso richiede circa un picosecondo, non c'è bisogno per noi di usare un impulso laser di ionizzazione femtosecondo. Possiamo quindi aumentare la durata dell'impulso laser di ionizzazione di un fattore di dieci senza influire sulla lunghezza del pacchetto di elettroni (qualità longitudinale), consentendoci di utilizzare una banda più stretta e una lunghezza d'onda laser più precisa. Ciò apre un nuovo modo per migliorare la qualità del fascio trasversale (emittanza)".

Il recente lavoro di de Raadt e dei suoi colleghi mette in evidenza il valore della sorgente ultrafredda compatta che hanno creato per produrre pacchetti di elettroni ultra-veloci. Inoltre, dopo aver approfondito la fisica e le proprietà di questa sorgente, il team può ora prevedere quanto saranno brevi i suoi impulsi di elettroni con alta precisione. Ciò a sua volta consente loro di accorciare questi impulsi a scapito della dispersione di energia attraverso la sorgente o viceversa.

In futuro, i risultati raccolti da questo team di ricercatori potrebbero aprire la strada allo sviluppo di tecniche di imaging altamente performanti che potrebbero far progredire la ricerca in numerosi campi. Nei loro prossimi studi, de Raadt e i suoi colleghi inizieranno ad esplorare alcune delle applicazioni più promettenti della sorgente di elettroni.

'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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