[論文レビュー] Coulomb interactions and the spatial coherence of femtosecond nanometric electron pulses

Stefan Meier, Peter Hommelhoff|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2021

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications参考文献 41被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、レーザー駆動タングステン針状先端からのフェムト秒電子パルスの空間コherー二ンスが、1パルスあたり1電子未塔の平均電荷でさえも、クーロン相互作用によって低下することを実験的に示している。電子干渉縞とvan Cittert-Zernike定理を用いて、可視度の低下が有効発光体サイズの増大と定量的に関連づけられ、1.4電子/パルスの時点で可視度が35%低下（ベースラインの65%）することが明らかになった。これは電子間の反発によるものである。

ABSTRACT

The transverse coherence of electrons is of utmost importance in high resolution electron microscopes, point-projection microscopes, low-energy electron microscopy and various other applications. Pulsed versions of many of these have recently been realized, mostly relying on femtosecond laser-triggering electron emission from a sharp needle source. We here observe electron interference fringes and measure how the interference visibility becomes reduced as we increase the electron bunch charge. Due to the extremely strong spatio-temporal confinement of the electrons generated here, we observe the visibility reduction already at average electron bunch charges of less than 1 electron per pulse, owing to the stochastic nature of the emission process. We can fully and quantitatively explain the loss of coherence based on model simulations. Via the van Cittert-Zernike theorem we can connect the visibility reduction to an increase of the effective source size. We conclude by discussing emittance, brightness and quantum degeneracy, which have direct ramifications to many setups and devices relying on pulsed coherent electrons.

研究の動機と目的

• レーザー駆動源からの超高速電子パルスにおけるクーロン相互作用が空間コherー二ンスに与える影響を調査すること。
• 電子束電荷が少数電子領域における干渉縞の可視度に与える影響を測定すること。
• 空間コherー二ンスの損失を、van Cittert-Zernike定理を用いて有効発光体サイズに結びつけて定量化すること。
• 空間的・時間的制限を受ける電子ビームにおけるコherー二ンス劣化の一般的なフレームワークを確立すること。
• 顕微鏡法や量子光学分野における応用を踏まえた、超高速電子源の設計改善を可能にすること。

提案手法

• 80 MHz繰り返しレートの6 fsパルスを用いたタングステン針状先端からのレーザー駆動電子放出。
• 電子波を分割・干渉させるために単層カーボンナノチューブ（CNT）を静電的バイプリズムとして使用。
• 微小チャネルプレート（MCP）スクリーン上で干渉縞を検出することで可視度を測定。
• 固定された幾何配置を維持したまま、レーザー出力を変化させて平均電荷を制御。
• 干渉縞の可視度と有効発光体サイズの関係を、van Cittert-Zernike定理を応用して導出。
• クーロン反発による観察されたコherー二ンス損失を定量的に説明するためのモデルシミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平均電子束電荷を増加させると、レーザー駆動源からのフェムト秒電子パルスの空間コherー二ンスはどのように変化するか？
• RQ2 1電子未塔の平均電荷領域において、電子間のクーロン相互作用が干渉可視度に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 電子反発による有効発光体サイズの増大によって、コherー二ンスの損失が定量的に説明可能か？
• RQ4 確率的放出（ポアソン統計）は、1パルスあたり1電子未満の状況でも、なぜコherー二ンス損失を引き起こすのか？
• RQ5 クーロン相互作用は、超高速電子源における輝度とエミッタンスをどのように制限するか？

主な発見

• 1.4電子/パルスの平均電荷で、電子干渉縞の可視度が35%低下（ベースラインの65%）し、これはクーロン反発によるものである。
• 空間コherー二ンスの損失は、van Cittert-Zernike定理が予測するように、有効発光体サイズの増大によって定量的に説明できる。
• 1.4電子/パルスの時点で、クーロン相互作用によって有効発光体サイズが2倍に増大しているが、平均電荷は非常に低い。
• コherー二ンス劣化の原因は、量子デコherence や古典的位相ずれではなく、電子反発に起因する確率的かつ変動する相互作用位相である。
• ポアソン統計のため、1パルスあたり1電子未満の状況でも2電子イベントが発生し、可視度の低下を引き起こす。
• 本研究の結果は一般性を持ち、先端材料やレーザー波長に依存せず、強い空間的・時間的制限を受ける超高速電子源に広く適用可能である。