Обнаружен сверхбыстрый световой «электронный слайд»
Когда интенсивный лазерный импульс попадает на неподвижный электрон, тот начинает совершать дрожащее движение с частотой светового поля. Однако это движение затухает после окончания импульса, и электрон снова возвращается в состояние покоя на своём исходном месте. Но если световое поле меняет свою интенсивность вдоль траектории электрона, то с каждым колебанием электрон накапливает дополнительное дрейфовое движение, которое сохраняется даже после окончания импульса. Пространственная интенсивность света действует подобно склону, с которого электрон «соскальзывает».
Этот эффект, известный десятилетиями, называется пондеромоторным ускорением. Однако из-за слабой пространственной зависимости интенсивности даже в сфокусированных световых пучках, этот световой «скользящий» эффект можно было чётко наблюдать лишь для длительных лазерных импульсов с множеством колебаний поля.
В недавнем исследовании учёные продемонстрировали выраженное пондеромоторное ускорение всего за одно единственное световое колебание. Ключевой трюк заключался в использовании острых металлических игольчатых наконечников, которые демонстрируют чрезвычайно сильное пространственное изменение интенсивности света при освещении лазером. Работа опубликована в журнале Nature Physics.
Быстрые электроны и острые как бритва иглы
В экспериментах электроны, высвобождаемые светом, впервые удалось соотнести с отдельными циклами светового поля. Для этого в лабораториях исследовательской группы под руководством профессора Петера Хоммельхоффа на кафедре лазерной физики Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU) с помощью специального процесса были изготовлены вольфрамовые иглы с особо острыми кончиками размером всего в несколько нанометров. Их облучали оптическими лазерными импульсами, содержащими всего около трёх колебаний поля.
«Обычно нас особенно интересуют быстрые электроны, высвобождаемые из наноострий, которыми мы можем точно управлять с помощью формы светового импульса», — объясняет доктор Йонас Хаймерль, научный сотрудник кафедры лазерной физики.
«Для них известно, что пондеромоторное движение для острых кончиков полностью подавлено. Неожиданностью стало то, что именно в сигнале медленных электронов мы обнаружили ранее неизвестную и выраженную полосатую структуру. Наши эксперименты даже выявили усиление пондеромоторных эффектов для медленных электронов».
Для сравнения с экспериментальными данными исследовательская группа под руководством профессора Томаса Феннеля из Ростокского университета провела обширные численные моделирования, которые количественно описывают эффект пондеромоторного ускорения в одиночном световом колебании и демонстрируют далеко идущие последствия для характеристики и управления сверхбыстрой электронной динамикой.
«Пондеромоторное ускорение обычно описывается как эффект, усреднённый по множеству световых колебаний. Захватывающий аспект наших открытий заключается в том, что теперь это можно использовать для измерения процессов в масштабе времени, составляющем долю светового колебания», — объясняет Анна Херциг, докторант из группы Феннеля.
«Хотя фундаментальную физику полосатых структур, индуцированных ближним полем, в принципе можно объяснить классической механикой, они открывают новый подход к характеристике квантовых эффектов процесса эмиссии», — добавляет Херциг.Полученные результаты стали возможны благодаря отличному взаимодействию между экспериментом и теорией и имеют потенциал для расширения фундаментального понимания фотоэмиссии, а также открывают возможности для новых применений в сверхбыстрой метрологии и оптоэлектронике.
Больше информации: Jonas Heimerl et al, Attosecond physics in optical near fields, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03093-3
0 комментариев