上海光机所在电子发射超快动力学测量原理上取得重要进展

近日，中科院上海光机所超强激光科学与技术全国重点实验室团队在电子发射超快动力学测量原理上取得重要进展。研究团队提出并实验验证了一种无需泵浦-探测的直接时间重建方法，成功从电子能谱中直接提取出亚周期尺度的电子发射时序信息。相关工作以“Direct Reconstruction of Terahertz-driven Subcycle Electron Emission Dynamics”为题发表于Physical Review Letters。

电子的超快动力学过程编码了丰富的能量与时间演化信息，是理解光与物质在极端时空尺度下相互作用的微观钥匙。这一“编码”的本质在于，电子所经历的场驱动轨迹中印刻了非平衡态行为与微观能量转移的完整演化信息。为了解读这一时空编码，泵浦-探测方法自飞秒化学开创以来，逐步发展为2023年获诺贝尔物理学奖的阿秒光脉冲产生的核心实验手段，其所衍生的阿秒条纹谱、RABBITT等技术，已成为解析原子分子中电子运动的关键工具。

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太赫兹驱动电子飞秒动力学与脉宽重构示意图

泵浦-探测过程通过扫描泵浦与探测脉冲之间的外部延迟，记录系统响应，再经数学反演以重构动力学过程。原理上，这一间接测量的属性需要依赖外部时序参考。其物理根源在于强场发射过程中的能谱混叠现象：不同时刻发射的电子可能获得相同的最终能量，导致发射时刻信息被掩盖于能谱之中，无法建立直接的能量-时间映射关系。因此，构建能量与发射时刻之间的直接映射方法，不仅有助于突破现有谱学技术在强场混叠问题上的局限，更有望为需要超高时间精度的测量方案提供新的分析维度。

针对这一瓶颈，研究团队提出了一种无需泵浦-探测的直接时间重建方法。其核心原理在于，通过构建时域波形不对称性的驱动场与空间非均匀性的近场环境，打破传统能谱混叠的物理条件，从而建立起电子动能与发射时刻之间严格单调的映射关系。实验中，团队利用载波包络相位（CEP）稳定的单周期太赫兹（THz）脉冲驱动石墨针尖，借助波形不对称性与纳米近场梯度的协同作用，有效抑制了导致混叠的电子再散射过程。基于这一物理映射，研究实现了从电子能谱中直接提取时间信息，成功重构出73.0至81.0飞秒的电子脉冲轮廓，并与场发射理论高度吻合。

通过翻转太赫兹脉冲的载波包络相位，实验进一步揭示了独特的相位依赖电子能谱，并首次观测到低能峰锚定现象。相位分辨模拟同时显示出72.8%的截止能量调制深度和99.7%的电流抑制能力，展现出对电子发射过程的精密调控能力。

该研究成果构建了一种全新的无需泵浦探测，可直接重构亚周期电子发射时序信息的普适性测量原理，对强场超快电子动力学测量方法具有重要意义，对发展下一代超快电子源与光波电子器件具有重要推动价值。

中国科学院上海光机所博士研究生毛家康、曾雨珊副研究员为共同第一作者，宋立伟研究员、田野研究员及李儒新院士为共同通讯作者，相关工作得到了国家青年科学基金（A类）、基金委基础科学中心项目、科技部重点研发计划、中国科学院基础研究青年团队项目以及基础研究特区计划等支持。

相关链接：https://doi.org/10.1103/z8pk-y8h8