超快科学：太赫兹增强的超快电子衍射技术

导读

太赫兹(THz)最近被证明可以用于精密的电子操控。传统的紧凑型电子枪由直流高压驱动，电子能量较低，受空间电荷的影响限制了其时间分辨率的提高。太赫兹压缩电子束可以产生高质量的衍射图样以及更好的时间分辨率用于观测物质的超快结构动力学过程。为未来发展高能量、高重频、紧凑型的超快电子衍射提供了可行的技术手段。

超快电子成像技术具有飞秒激光脉冲时间分辨的同时还具有原子级尺度的空间分辨，已成为揭示分子和材料中超快结构动力学的重要工具，被广泛应用于物理, 化学, 生物科学等诸多领域中。在过去的几年中，人们在不断寻求超短、高亮度、高重频和易用的小型化电子源，但是传统电子加速技术还无法同时满足以上的需求。

由德国电子同步加速器研究所/汉堡大学Franz X. Kärtner教授和上海交通大学张东方副教授组成的联合研究团队研发了太赫兹增强的超快电子衍射技术。通过使用太赫兹驱动的电子操控技术压缩由直流电子枪产生的电子，并在超快电子衍射实验中观测到单晶硅的超快动力学过程。

图2 脉宽随传播距离的变化示意图。插图显示了在各位置点相空间的变化以及在样品处的脉宽。

太赫兹驱动电子操控技术具有光同步、体积小、高场强和高精度的电子操控能力。在太赫兹电磁场的控制下可以实现对电子六维相空间的控制。对于一个传播的太赫兹横磁波，使用太赫兹零点附近的瞬时电场可以使电子通过时前端减速，后端加速，以“速度压缩”的方式在探测样品处得到飞秒量级的电子脉冲（图2）。

图3 （a）太赫兹电场扫描测量的电子的时间抖动。（b）单晶硅的静态电子衍射图样。（c）泵浦探测中电子衍射强度随时间的变化（绿色：没有压缩的电子脉冲；红色：太赫兹压缩的电子脉冲）。

得益于全光学的同步方式，在没有系统主动稳定器件的情况下，电子在样品处时间抖动也可以控制在5飞秒以内（图3）。电子通过单晶硅也显示了高质量电子衍射图样。通过超快电子衍射的方式可以观测到硅在光激发后晶格的超快动力学过程。图3（c）也显示了压缩后的电子可以更好的揭示这个过程发生的时间尺度。

总结和展望

研究团队将太赫兹压缩直流电子枪的电子束应用于超快电子衍射中，实现小型化、高重频、高质量的电子脉冲输出，观测到了单晶硅受激光激发后的超快动力学过程。提出了一种基于太赫兹的可以提供MeV电子能量、低于30 fs脉宽、kHz重复率并同时具有10 fC电荷的紧凑型超快电子衍射解决方案。基于太赫兹的电子加速和操控技术有望解决未来超短电子源在小规模实验室的广泛应用，将对今后新一代紧凑型电子源的研制和发展起到深远的影响。

Franz X. Kärtner，德国电子同步加速器研究所（DESY）/汉堡大学教授。美国光学学会和电气与电子工程学会Fellow、德国洪堡Feodor-Lynen Research Fellow。累计发表了论文370余篇、参与4个章节的书籍编写工作、拥有30多项专利。H-Index为65，文章他引用次数超过15000余次。Kärtner教授研究主要包括精确时间分布，光学相干合成，高能太赫兹产生，以及阿秒科学和紧凑型X射线的产生和应用。并于2014年与汉堡大学和DESY的其他研究人员共同获得ERC Synergy基金，用于探索由高能太赫兹辐射驱动的阿秒X射线源。

Franz X. Kärtner

张东方，上海交通大学长聘教轨副教授。2013年获德国汉堡大学博士学位，师从马克思普朗克研究所结构动力学所长Dwayne Miller教授。2015-2017，德国汉堡大学博士后，2018-2021德国电子同步加速器研究所研究员。入选国家（青年）及上海市海外高层次人才计划。在Nature Photonics（封面），Optica，Physical Review X，Science Advances，Nature communications上发表论文20余篇。主要研究方向包括太赫兹激光技术、太赫兹驱动电子源和超快电子衍射。

张东方

Ultrafast Science，a science partner journal , 双月刊，由中国科学院主管、中国科学院西安光学精密机械研究所主办。办刊宗旨为：刊载超快科学研究领域的新理论、新技术、新进展、促进学术交流，推动成果转化，提高我国在该领域的科研水平和国际影响力。