【儀表網 研發快訊】近日，上海交通大學張東方副教授及其合作者在太赫茲表面波壓縮技術上取得新突破。研究團隊構建了基于“源壓縮”的電子脈沖調控新方案，成功解決了低能電子脈沖壓縮的關鍵技術難題，為推進高精度超快表面探測成像開辟了新路徑(圖1)。該研究成果以“Terahertz Surface Wave Compression for Low-Energy Electron Diffraction and Imaging”為題近期發表在《Physical Review Letters》上。
圖1 太赫茲表面波壓縮概念圖
研究背景
低能電子因具有大散射截面和對表面信息的超高靈敏度，被廣泛應用于表面和低維系統探測。然而，隨著電子能量降低，空間電荷效應引發的脈沖展寬現象會愈發顯著。目前，產生飛秒級低能電子的方案大多基于單電子模式，對系統穩定性和重復頻率要求極高，這極大地限制了其在超快成像及表面場探測中的應用。
研究創新點
本工作中，研究團隊通過太赫茲表面波實現了電子的同步加速和壓縮。該方案使表面波直接作用于電子發射陰極(發射源)，最大限度地縮短了電子束的傳輸距離，從而顯著抑制了空間電荷效應引起的脈沖展寬(圖2)。基于此，團隊在1.5 keV的加速電壓下，成功產生了脈沖寬度為74 fs、電荷量為0.4 fC的電子脈沖，從而將亞keV低能多電子脈沖的脈寬推進至飛秒量級。該方法無需獨立的壓縮腔體，將電子束的產生、加速與壓縮功能集成于一體化結構，形成了一種緊湊型多功能電子槍。
圖2 太赫茲表面波增強的超快電子源
通過點投影成像與衍射實驗，研究團隊驗證了該壓縮方式能高度保持電子束流的品質。進而，團隊將所研制的電子槍置于超快點投影成像模式下，開展了對金屬表面等離子體流動超快動力學的研究。壓縮后的電子束表現出顯著增強的時間分辨率，充分證明了該技術的有效性與穩定性(圖3)。
圖3 a. 太赫茲表面波對電子的壓縮；b. 不同電子能量下的壓縮脈寬；c. 泵浦探測實驗對表面場探結果；d. 不同探測位置處電子寬度變化。
總結與展望
該研究成功突破了低能電子探針因庫倫排斥力所面臨的時間分辨率瓶頸，創新性地提出了在電子發射源直接壓縮的“源壓縮”方案。相較于傳統的“后壓縮”技術，這一方法結構極為緊湊，實現了電子產生與壓縮環節的高度集成。展望未來，這項工作為在飛秒尺度上研究表面聲子、表面相變及弱場探測等物理現象提供了強大的新工具。
上海交通大學物理與天文學院博士生蘇大策為本文第一作者，張東方副教授為指導老師。該研究獲得了國家自然科學基金、上海市科委、國家重點研發計劃以及陽陽基金的資助。
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