原理示意图。图片来源：ACS Photonics (2022)，DOI：10.1021/acsphotonics.2c01304。
筑波大学的研究人员展示了如何在超快电子脉冲探测器上增加一个微小的谐振器结构，以降低表征脉冲持续时间所需的太赫兹辐射强度。例如，为了研究蛋白质的生物作用机制时，研究人员需要清楚样本中单个原子的运动。这是非常困难的，不仅因为原子的尺寸是非常小的，而且原子的重排通常发生在皮秒（即万亿分之一秒）的时间尺度内。
探测这些系统的一种方法是用超快激光激发它们，然后立即用一个非常短的电子脉冲探测它们。根据电子从样品中散射的方式作为激光和电子脉冲之间延迟时间的函数，研究人员可以获得大量关于原子动力学的信息。然而，表征初始电子脉冲是非常困难的，需要复杂的装置或高功率的太赫兹辐射。
现在，筑波大学的一组研究人员使用光学谐振器来增强由晶体产生的太赫兹 (THz) 光脉冲的电场，从而减少了表征电子脉冲持续时间所需的太赫兹光。太赫兹辐射是指波长介于红外线和微波之间的光束。该成果的共同作者 Yusuke Arashida 教授解释说：“探测电子脉冲的精确表征是至关重要的，因为与激发原子运动的激光束相比，它的持续时间更长，而且通常更加难以控制”。
类似于具有适当声学效果的房间如何放大声音的感知，谐振器可以用与其大小和形状相匹配的波长增强太赫兹辐射的振幅。在这种实验中，该团队使用了之前由一个独立研究小组设计的蝴蝶形谐振器来增强脉冲能量。通过进行理论模拟，他们发现电场增强集中在蝴蝶的“头”和“尾巴”所在的位置。
他们发现他们可以使用太赫兹条纹方法测量超过皮秒的电子脉冲持续时间，这种方法利用入射光沿垂直方向展开电子脉冲，相机中的“条纹”是由时间信息编码到最终图像的空间分布中形成的。资深的作者 Masaki Hada 教授说：“使用电子脉冲的超快测量可以显示分子或材料在被激光激发后弛豫时的原子级结构动力学”。
这种弱太赫兹场和几千伏每厘米强度的谐振器被证明足以表征皮秒时间尺度的电子脉冲。这项工作可能实现在非常短的时间尺度上更有效地探测原子级运动，并且可能有助于研究生物分子或工业材料。该研究成果已经发表在《ACS Photonics》杂志上。
消息来源：https://phys.org/news/2022-12-optoelectronic-resonator-sensitivity-electron-pulse.html
[1]Wataru Yajima et al, Streaking of a Picosecond Electron Pulse with a Weak Terahertz Pulse, ACS Photonics (2022). DOI: 10.1021/acsphotonics.2c01304
