[论文解读] 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 16

一句话总结

本研究实验表明，即使在每脉冲平均电荷低于一个电子的情况下，库仑相互作用仍会降低激光触发的钨针尖产生的阿秒电子脉冲的空间相干性。通过电子干涉条纹和van Cittert-Zernike定理，作者将可见度损失与有效源尺寸增大定量关联，发现在每脉冲1.4个电子时，可见度下降35%（降至基线的65%），这是由于电子-电子排斥作用所致。

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.

研究动机与目标

• 研究库仑相互作用对激光触发源产生的超快电子脉冲空间相干性的影响。
• 测量电子束电荷在少电子区域下对干涉条纹可见度的影响。
• 量化空间相干性的损失，并通过van Cittert-Zernike定理将其与有效源尺寸关联。
• 建立适用于时空受限电子束相干性退化的一般框架。
• 为显微镜和量子光学应用中改进超快电子源的设计提供支持。

提出的方法

• 使用80 MHz重复频率的6 fs脉冲激光触发钨针尖发射电子。
• 使用单壁碳纳米管（CNT）作为静电双棱镜，将电子波分离并产生干涉。
• 在微通道板（MCP）屏上检测干涉条纹以测量可见度。
• 系统性调节激光功率以控制每脉冲平均电子电荷，同时保持几何结构不变。
• 应用van Cittert-Zernike定理，将条纹可见度与有效源尺寸关联。
• 通过模型模拟，定量解释由库仑排斥引起的观测到的相干性损失。

实验结果

研究问题

• RQ1 增加电子束电荷如何影响激光触发源产生的阿秒电子脉冲的空间相干性？
• RQ2 在每脉冲平均电荷低于一个电子时，电子之间的库仑相互作用在多大程度上降低干涉条纹的可见度？
• RQ3 相干性损失是否可由电子排斥引起的有效源尺寸增大来定量解释？
• RQ4 随机发射（泊松统计）在每脉冲低于一个电子时如何导致相干性损失？
• RQ5 库仑相互作用如何限制超快电子源的亮度和发射度？

主要发现

• 由于库仑排斥作用，电子干涉条纹的可见度在每脉冲平均1.4个电子时下降35%（降至基线的65%）。
• 空间相干性的损失可通过有效源尺寸增大来定量解释，这与van Cittert-Zernike定理的预测一致。
• 即使平均电荷极低，每脉冲1.4个电子时，有效源尺寸仍翻倍，这归因于电子排斥。
• 相干性退化并非源于量子退相干或经典去相位，而是由于电子排斥引起的随机、可变的相互作用相位。
• 即使在每脉冲低于一个电子时，由于泊松统计下存在双电子事件，仍可观察到可见度损失。
• 该发现具有一般性，与针尖材料或激光波长无关，广泛适用于具有强时空限制的超快电子源。