【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室團隊在電子發射超快動力學測量原理上取得重要進展。研究團隊提出并實驗驗證了一種無需泵浦-探測的直接時間重建方法，成功從電子能譜中直接提取出亞周期尺度的電子發射時序信息。相關工作以“Direct Reconstruction of Terahertz-driven Subcycle Electron Emission Dynamics”為題發表于Physical Review Letters。
電子的超快動力學過程編碼了豐富的能量與時間演化信息，是理解光與物質在極端時空尺度下相互作用的微觀鑰匙。這一“編碼”的本質在于，電子所經歷的場驅動軌跡中印刻了非平衡態行為與微觀能量轉移的完整演化信息。為了解讀這一時空編碼，泵浦-探測方法自飛秒化學開創以來，逐步發展為2023年獲諾貝爾物理學獎的阿秒光脈沖產生的核心實驗手段，其所衍生的阿秒條紋譜、RABBITT等技術，已成為解析原子分子中電子運動的關鍵工具。
泵浦-探測過程通過掃描泵浦與探測脈沖之間的外部延遲，記錄系統響應，再經數學反演以重構動力學過程。原理上，這一間接測量的屬性需要依賴外部時序參考。其物理根源在于強場發射過程中的能譜混疊現象：不同時刻發射的電子可能獲得相同的最終能量，導致發射時刻信息被掩蓋于能譜之中，無法建立直接的能量-時間映射關系。因此，構建能量與發射時刻之間的直接映射方法，不僅有助于突破現有譜學技術在強場混疊問題上的局限，更有望為需要超高時間精度的測量方案提供新的分析維度。
針對這一瓶頸，研究團隊提出了一種無需泵浦-探測的直接時間重建方法。其核心原理在于，通過構建時域波形不對稱性的驅動場與空間非均勻性的近場環境，打破傳統能譜混疊的物理條件，從而建立起電子動能與發射時刻之間嚴格單調的映射關系。實驗中，團隊利用載波包絡相位(CEP)穩定的單周期太赫茲(THz)脈沖驅動石墨針尖，借助波形不對稱性與納米近場梯度的協同作用，有效抑制了導致混疊的電子再散射過程。基于這一物理映射，研究實現了從電子能譜中直接提取時間信息，成功重構出73.0至81.0飛秒的電子脈沖輪廓，并與場發射理論高度吻合。
通過翻轉太赫茲脈沖的載波包絡相位，實驗進一步揭示了獨特的相位依賴電子能譜，并首次觀測到低能峰錨定現象。相位分辨模擬同時顯示出72.8%的截止能量調制深度和99.7%的電流抑制能力，展現出對電子發射過程的精密調控能力。
該研究成果構建了一種全新的無需泵浦探測，可直接重構亞周期電子發射時序信息的普適性測量原理，對強場超快電子動力學測量方法具有重要意義，對發展下一代超快電子源與光波電子器件具有重要推動價值。
中國科學院上海光機所博士研究生毛家康、曾雨珊副研究員為共同第一作者，宋立偉研究員、田野研究員及李儒新院士為共同通訊作者，相關工作得到了國家青年科學基金(A類)、基金委基礎科學中心項目、科技部重點研發計劃、中國科學院基礎研究青年團隊項目以及基礎研究特區計劃等支持。
太赫茲驅動電子飛秒動力學與脈寬重構示意圖
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