理学院黄永盛教授团队联合国防科技大学余同普教授团队提出孤立阿秒电子束新方案

       近日，中山大学理学院黄永盛教授团队联合国防科技大学余同普教授团队提出了一种“相位压缩注入”的新方案，成功在中空通道等离子体靶中产生并加速了孤立阿秒电子束。该方案利用一束相对论电子束通过中空通道等离子体靶，通过辐射尾场“breaking”过程中等离子体电子的相位压缩横向注入，实现了数十GeV的孤立阿秒电子束的同步产生和加速。理论分析和数值模拟表明：该方案产生的孤立阿秒电子束具有高能量（13 GeV）、高电荷量（> 2 nC）、窄脉宽（276 as）、低发散角（< 5 mrad）、高能量转换效率（36.7%）等特点，在超快物理、高能物理和材料科学等领域具有独特的应用前景。相关论文以“Generation and Acceleration of Isolated-Attosecond Electron Bunch via Phase-Compressed Injection”为题发表在《Ultrafast Science》(IF = 9.9，Q1区)。

研究背景

       阿秒（1阿秒=10⁻¹⁸秒）电子束在超快物理、新型辐射源和自由电子激光注入等领域具有广泛的应用前景。然而，现有的技术产生的阿秒电子束在能量、电荷量和能量转换效率等方面存在显著限制。例如，传统激光尾波场加速技术产生的阿秒电子束能量通常仅为MeV量级，且能量转换效率较低（仅约3%）。此外，这些方法对激光与靶材的时空对准精度要求极高，操作复杂。因此，开发一种能够同时生成高能量、高电荷量且稳定的孤立阿秒电子束的新方案，是目前亟待解决的科学问题。

研究内容

       如图1所示，孤立阿秒电子束的产生和加速过程分为四个阶段：

       1. 辐射尾场产生：当驱动电子束以接近光速的速度通过中空通道等离子体靶时，驱动电子束的横向电场微扰通道靶内壁的等离子体电子产生电荷分离场，等离子体电子在横向电场和电荷分离场的作用下做横向振荡运动，产生一个辐射尾场。

       2. 相位压缩：产生的辐射尾场在驱动电子束后面沿着通道靶中心轴向前传播，由于辐射尾场的速度大于驱动电子束的速度，导致辐射尾场的横向电场在纵向方向实现了相位压缩，横向电场在传播过程中被压缩至数十纳米尺度（时间上对应阿秒尺度）。

       3. 阿秒电子注入：当等离子体电子振荡的频率和振幅增大时，辐射尾场会形成不对称的三角波形，这意味着产生了其他频率分量。最终，辐射尾场发生“breaking”现象（就像海滩上的海浪一样）将辐射尾场能量转化为等离子体电子的动能，使等离子体电子从横向注入真空通道。

       4. 阿秒电子束产生和加速：辐射尾场的“breaking”导致大量等离子体电子自注入到真空通道。等离子体电子的注入相位与被压缩至阿秒尺度的横向电场的相位完全重叠，从而产生了一个孤立的阿秒电子束。同时，由于该阿秒电子束位于纵向电场的加速相位，最终实现了稳定的加速。

       此外，通过调节驱动电子束的电荷量，可以灵活控制阿秒电子束的脉宽和能量，为将来实际应用提供了更多可能性。

总结与展望

       这项研究不仅提出了一种产生具有超高时间分辨率和高穿透能力的GeV阿秒电子束的新方案，还展示了其在超快物理和高能物理中的巨大应用潜力。产生的阿秒电子束可用于高亮度X/γ射线辐射源产生、超快电子衍射和自由电子激光注入等领域，为观测原子尺度的超快动力学过程、超高压下物质相变和激光驱动冲击波传播过程提供了革命性工具。

论文信息

标题：Generation and Acceleration of Isolated-Attosecond Electron Bunch via Phase-Compressed Injection

作者：Liang-Qi Zhang, Mei-Yu Si, Tong-Pu Yu, Yuan-Jie Bi, Yong-Sheng Huang

DOI：https://doi.org/10.34133/ultrafastscience.0101