[論文レビュー] Temporal and spectral disentanglement of laser-driven electron tunneling emission from a solid

Hirofumi Yanagisawa, Sascha Schnepp+5 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2014

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 54被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、数サイクルのレーザーパルスを用いて、タングステンチップにおけるレーザー駆動トンネル放出と光励起電子放出を分離し、表面下を通過した後、レーザー駆動電子再散乱による遅延放出チャネルを明らかにした。主な結果は、アトセカンドトンネル放出とフェムトセカンド光励起放出の明確な時間的・スペクトル的分離であり、固体内における超高速電子ダイナミクスの孤立した研究を可能にするとともに、アトセカンド電子源の設計を導く。

ABSTRACT

By measuring energy spectra of the electron emission from a sharp tungsten tip induced by few-cycle laser pulses, the laser-field dependence of the emission mechanism was investigated. In strong laser fields, we confirm the appearance of laser-driven tunneling emission and find that it can be disentangled from the concomitant photo-excited electron emission, both temporally and spectrally, by the opening of a peculiar emission channel. This channel involves prompt laser-driven tunneling emission and subsequent laser-driven electron re-scattering off the surface, delayed by the electrons traveling far inside the metal before scattering. The quantitative understanding of these processes gives insights on attosecond tunneling emission from solids and should prove useful in designing new types of pulsed electron sources.

研究の動機と目的

• 強いレーザー場におけるレーザー駆動トンネル放出と光励起電子放出を区別する長年の曖昧さを解消すること。
• 金属内での表面下を通過した後の電子再散乱に起因する遅延放出チャネルを特定・特徴づけること。
• 電子放出のエネルギースペクトルを定量的にモデル化し、異なる放出メカニズムの寄与を分離すること。
• トンネル放出と光励起放出プロセスをスペクトル的・時間的に分離することで、アトセカンドトンネルダイナミクスの孤立した研究を可能にすること。
• 新しいパルス電子源の設計に向けた基盤を提供すること、その時間分解能がアトセカンドレベルとなるように。

提案手法

• ヘミスフィrical電界アナライザーを用いて、数サイクルレーザーパルス（830 nm、7 fs）照射下におけるタングステンチップからの電子放出エネルギー分布を測定した。
• 局所電場を強化し、表面感受性な放出を可能にするために、[011]方向に整列した鋭いタングステンチップを用いた。
• 光励起、直接トンネル、遅延再散乱プロセスを区別するため、3つのモデルシナリオ（モデルA〜C）に基づく定量的シミュレーションを実施した。
• 空間電荷効果、金属内での非弾性散乱（平均自由行程 ~7.5–12 nm）、表面下を通過した後、表面への再衝突を含む電子ダイナミクスをモデル化した。
• トンネル放出は強く位相依存的であるのに対し、光励起放出はそうではないことから、放出の位相依存性を追跡することで、トンネル放出に特有の振る舞いを同定した。
• レーザー強度を変化させた際のスペクトル特徴（プラトーおよび低エネルギーピーク）の進化をシミュレートし、遅延放出チャネルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いレーザー場において、レーザー駆動トンネル放出と光励起電子放出をスペクトル的・時間的に分離可能か？
• RQ2 強い場において観測される顕著な低エネルギーピークの物理的メカニズムは何か？
• RQ3 表面下を通過した後の電子再散乱による遅延が、電子放出のスペクトル的・時間的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 光励起または直接トンネルのみを仮定するモデルではなぜ低エネルギーピークが出現しないのか？また、そのピークが出現する条件は何か？
• RQ5 空間電荷効果および電子散乱ダイナミクスのモデル化によって、観測されたスペクトル特徴（プラトーおよびピーク）をどの程度定量的に再現できるか？

主な発見

• 強いレーザー場において、明確な遅延放出チャネルが開き、エネルギースペクトルに顕著な低エネルギーピークが現れる。これは、即時の放出とはスペクトル的・時間的に分離されている。
• 遅延放出は、電子が金属内にトンネル進入し、数ナノメートル（最大約12 nm）を通過し、数フェムト秒から数十フェムト秒の遅れを経て表面から再散乱することで生じる。
• 低エネルギーピークは、主に金属内で非弾 性散乱を経てエネルギーを失い、真空中に再放出される電子に起因し、その出現はレーザー駆動トンネル放出に強く依存しており、その強い位相依存性に起因する。
• スペクトルに現れるプラトー特徴は、高密度の即時電子クラウドに起因する強い空間電荷効果に起因し、空間電荷および光励起を含むシミュレーションでそのカットオフエネルギーが定量的に再現された。
• プロンプトトンネルと遅延再散乱の両方を含むモデルCが、全強度範囲で実験データと最も良好な定量的整合性を示し、低出力域における2PPEピークの再現も達成された。
• より高いレーザー強度におけるピーク進化の第二の折り返しは、再散乱による再放出が可能になる閾値に達したことを示しており、そのエネルギーが障壁高さの2倍以上（約5–10 eV）に達した場合に発現する。