[论文解读] 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 30

一句话总结

本研究利用少周期激光脉冲，从强激光场中分离出钨针尖的激光驱动隧穿发射与光激发电子发射，揭示了电子在亚表面传播后经激光驱动再散射导致的延迟发射通道。关键结果是实现了阿秒隧穿发射与飞秒光致发射在时间与光谱上的清晰分离，从而可独立研究固体中的超快电子动力学，并为设计阿秒电子源提供指导。

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.

研究动机与目标

• 解决在强激光场中区分激光驱动隧穿发射与光激发电子发射的长期模糊问题。
• 识别并表征由金属中亚表面传播后电子再散射引起的延迟发射通道。
• 对电子发射的能量谱进行定量建模，并分离不同发射机制的贡献。
• 通过光谱与时间分离隧穿与光致发射过程，实现对阿秒隧穿动力学的独立研究。
• 为设计具有阿秒时间分辨率的新一代脉冲电子源提供基础。

提出的方法

• 使用半球形静电分析仪测量钨针尖在少周期激光脉冲（830 nm，7 fs）作用下的电子发射能量谱。
• 采用沿[011]方向取向的尖锐钨针尖，以增强局域电场并实现表面敏感的发射。
• 基于三种模型情景（模型A–C）进行定量模拟，以区分光致激发、直接隧穿与延迟再散射过程。
• 模拟电子动力学过程，包括空间电荷效应、金属中的非弹性散射（平均自由程~7.5–12 nm），以及电子在亚表面传播后与表面的再碰撞。
• 追踪发射的激光相位依赖性，以识别隧穿特异性行为，因为隧穿强烈依赖于激光相位，而光致发射则不然。
• 模拟不同激光强度下光谱特征（平台区与低能峰）的演化，以验证延迟发射通道的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强激光场中，激光驱动隧穿发射能否在光谱与时间上与光激发电子发射相分离？
• RQ2 在强场下能量谱中观察到的显著低能峰的物理机制是什么？
• RQ3 电子在亚表面传播后延迟再散射如何影响电子发射的光谱与时间特性？
• RQ4 为何在仅假设光致激发或直接隧穿的模型中低能峰不存在，其出现需要何种条件？
• RQ5 通过建模空间电荷效应与电子散射动力学，能否定量再现观测到的光谱特征（平台区与峰）？

主要发现

• 在强激光场中开启了一条显著的延迟发射通道，导致能量谱中出现明显的低能峰，该峰在光谱与时间上均与瞬时发射分离。
• 该延迟发射源于电子隧穿进入金属后，传播数纳米（最高约12 nm），并在数飞秒至数十飞秒的延迟后经表面再散射。
• 低能峰主要源于在金属中经历非弹性散射后以较低能量重新进入真空中电子，其出现仅由激光驱动隧穿发射所导致，因其具有强烈的激光相位依赖性。
• 光谱中的平台区特征源于密集瞬时电子云中的强空间电荷效应，其截止能量可通过包含空间电荷与光致激发的模拟得到定量再现。
• 模型C（包含瞬时隧穿与延迟再散射）在全强度范围内与实验数据达到最佳定量吻合，包括低功率下的2PPE峰。
• 在更高激光强度下，峰演化曲线出现第二个拐点，对应延迟发射通道的开启，此时撞击能量超过势垒高度的两倍（~5–10 eV），使电子能够重新发射进入真空中。