超快電子衍射屬于泵浦-探測(cè)技術(shù)：首先由飛秒激光（泵浦）激發(fā)樣品的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，隨后利用電子束（探測(cè)）去記錄某一時(shí)刻原子的位置信息；進(jìn)一步改變電子束與激光的延時(shí)分別記錄不同延時(shí)的原子位置信息則最終可將不同時(shí)刻的原子信息結(jié)合起來(lái)形成原子電影，完整再現(xiàn)原子尺度超快動(dòng)力學(xué)的全過(guò)程。類似于x光自由電子激光，超快電子衍射可用于結(jié)構(gòu)相變、電子聲子耦合、分子動(dòng)力學(xué)等超快過(guò)程研究；在基金委國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目支持下，上海交通大學(xué)聯(lián)合北京大學(xué)和清華大學(xué)正在建設(shè)具有國(guó)際領(lǐng)先水平的兆伏特超快電子衍射與成像裝置。

泵浦探測(cè)技術(shù)及電子束時(shí)間抖動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

超快電子衍射的時(shí)間分辨率主要受限于電子束脈寬和電子束相對(duì)于泵浦激光的時(shí)間抖動(dòng)。通過(guò)將電子束能量從keV提高到MeV可抑制電子空間電荷力的影響，產(chǎn)生50-100 飛秒（1 飛秒= 0.000000000000001秒）的電子束；進(jìn)一步結(jié)合微波聚束腔技術(shù)，MeV電子束脈寬可壓縮至10 飛秒以下。然而，伴隨電子束脈寬的壓縮，電子束的時(shí)間抖動(dòng)會(huì)增加；因此盡管國(guó)際上已產(chǎn)生10飛秒以下的電子束，超快電子衍射的時(shí)間分辨率仍然處于50-100飛秒的量級(jí)。以Bi的A1g模式為例，在激光激發(fā)下Bi原子間距會(huì)以2.92 THz的頻率振蕩；由于測(cè)量的結(jié)果為時(shí)間抖動(dòng)窗口內(nèi)的平均值，因此盡管10飛秒的電子束脈寬遠(yuǎn)小于振蕩周期，當(dāng)時(shí)間抖動(dòng)與振蕩的半周期相比擬時(shí)仍然無(wú)法分辨原子的位移振蕩。受電子束時(shí)間抖動(dòng)限制，超快電子衍射距離突破50飛秒的時(shí)間分辨率仍有一步之遙，亟需發(fā)展精確記錄電子束時(shí)間抖動(dòng)的技術(shù)以便按照實(shí)驗(yàn)測(cè)量的泵浦-探測(cè)延時(shí)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排列，最終校正時(shí)間抖動(dòng)并消除其對(duì)時(shí)間分辨率的影響。

上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院張杰院士和向?qū)Ы淌谡n題組與華東師范大學(xué)、中科院上海光機(jī)所、西北核技術(shù)研究所、中國(guó)工程物理研究院、清華大學(xué)等院校研究團(tuán)隊(duì)合作，借鑒阿秒科學(xué)領(lǐng)域的光電子streaking技術(shù)并將該技術(shù)拓展用于能量高4個(gè)量級(jí)的相對(duì)論能量電子束，利用激光在鈮酸鋰晶體中產(chǎn)生的太赫茲脈沖作為時(shí)間基準(zhǔn)并結(jié)合超材料近場(chǎng)增強(qiáng)技術(shù)，精確地記錄了相對(duì)論能量級(jí)電子束的時(shí)間信息，獲得了1.5 飛秒的超高分辨率，該工作近期發(fā)表在《Physical Review X》。

傳統(tǒng)的手表秒針轉(zhuǎn)一圈時(shí)間為60秒，通過(guò)觀察秒針的位置，我們對(duì)時(shí)間精度的確定可以做到1秒左右；太赫茲時(shí)鐘以太赫茲脈沖的周期為標(biāo)尺，通過(guò)記錄電子被太赫茲電磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)角度確定電子束的到達(dá)時(shí)間。由于太赫茲的周期約1皮秒(1 皮秒= 0.000000000001秒)，相比秒針轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間快了14個(gè)量級(jí)，因此太赫茲時(shí)鐘對(duì)電子束時(shí)間信息的記錄精度可做到飛秒量級(jí)。此外，在該實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)利用微波聚束腔將電子束脈寬從逾200飛秒壓縮到6飛秒以下，是目前該能區(qū)實(shí)驗(yàn)獲得的最短的電子束脈寬。

太赫茲時(shí)鐘原理圖及THz streaking測(cè)量的不同延時(shí)處電子束分布

該“太赫茲時(shí)鐘”提供的1.5飛秒時(shí)間抖動(dòng)校正精度結(jié)合微波聚束腔技術(shù)產(chǎn)生的6 飛秒電子束也將兆伏特超快電子衍射的時(shí)間分辨率首次推進(jìn)到亞10飛秒，超過(guò)該國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目的原定指標(biāo)（50 飛秒）5倍，預(yù)期將開辟超快電子衍射研究更快的動(dòng)力學(xué)過(guò)程新的研究機(jī)會(huì)。

本工作主要由基金委國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目（No. 11327902）和基金委創(chuàng)新群體項(xiàng)目（No. 11721091）及科技部青年973課題（No. 2015CB859700）資助，論文第一作者為博士生趙凌榮。

信息來(lái)源：上海交通大學(xué)