格拉茨理工大学

挑战

从材料科学到酶动力学等领域的研究人员都需要合适的工具，实现对液体和固体样品高时间和空间分辨率研究。 虽然激光技术可以轻松达到飞秒 (fs) 时间尺度，但它的空间分辨率受到衍射的限制。 而电子衍射技术可以达到原子分辨率，但缺乏时间分辨率。 有一种能结合两者优点的可行性方法，就是使用飞秒激光脉冲与电子相互作用，结合电子脉冲的时域成形和结构探测，称为激光辅助电子散射 (LAES) 。 迄今为止仅在气相样品中观察到 LAES。

解决方案

奥地利格拉茨理工大学实验物理研究所 (IEP) 的 Markus Koch 教授解释说：“在 LAES 中，电子在受到强激光场的照射时，通过与样品原子碰撞而获得或失去能量。 因此，在激光脉冲诱导下，我们可以检测到与样品发生相互作用后不同能量的电子。 使用飞秒激光脉冲技术，您可以在同一时间段内有效地获得电子脉冲。”

在研究生 Leonhard Treiber 的实验中，Koch 实验室在凝聚态样品中尝试了 LAES 技术。 这些样品是超流氦的微小 (3-30 nm) 液滴，每个液滴都装有作为电子发射源的单个原子（In 或 Xe）或分子（丙酮）。 使用3 kHz、25 fs Coherent Legend Duo 激光放大器发射的 800nm 激光来照射液滴。 使用飞秒激光脉冲进行强场光电离，液滴中的电子源发生阈上电离 (ATI)，然后由形成液滴壳的氦原子产生 LAES。 然后通过测量飞行时间方法，记录光电子能谱。

Koch 强调，Legend Duo 的稳定性至关重要，因为单个原子和单个液滴的组合产生的信号非常弱，需要连续运行 10 个小时来收集这些信号。 他还指出，这款激光器连续使用 8 年，依然具有非常高的可靠性。 “这款激光器平时不需要维护；我们每年最多进行两次光路优化。 它确实是一种可靠、易用的飞秒激光源。”

结果

通过比较使用和不使用氦壳获得的光电子光谱，验证了 LAES 方法的可行性。 Koch 与维也纳技术大学的 Markus Kitzler-Zeiler 和东京都立大学的 Reika Kanya 合作，对实验数据进行了建模和深入分析。 他们的开创性成果发表在《自然通讯》上。