據悉，英國思克萊德大學研究人員對趨于冷束極限的阿秒自由電子激光器的研究以“Attosecond-Angstrom free-electron-laser towards the cold beam limit”為題發表在《Nature Communications》上。

電子束質量是自由電子激光器(FELs) X射線脈沖產生的關鍵。最先進的線性加速器(linacs)可以提供足夠質量的多GeV電子束，用于硬X射線FELs，盡管需要公里級的設置，而基于等離子體的加速器可以在米級距離上產生多GeV電子束，并開始達到足以用于EUV FELs的束流質量。本文中，研究人員展示了等離子體光陰極的電子束可以在等離子尾場加速器(PWFAs)中產生，比最先進的光陰極亮許多數量級，然后提取、捕獲、運輸和注入波動器而沒有顯著的質量損失。這些超亮的亞飛秒電子束可以在冷束極限附近驅動硬X-FELs，產生阿秒級的相干X射線脈沖，僅在波動器運動10米后就達到飽和。這種等離子體X-FELs為先進的光子科學能力開辟了道路，例如在自然時間和長度尺度上對原子內部電子運動的不受干擾的觀察，以及朝著更高的光子能量前進。

整體設置如圖1所示，由三個主要構建塊組成：等離子體加速器，其中產生超亮電子束，光束傳輸級，其中超亮電子束被捕獲、隔離和傳輸，以及波動器，產生 X 射線脈沖。

圖1:實驗設置。

文中，研究人員展示了從頭到尾的模擬研究，如何從PWFA中產生具有前所未有的發射度和亮度的亞飛秒電子束，如何在不損失電荷的情況下傳輸它們，并在幾nm-rad級的發射度下完全保存，以及如何利用這些超亮光束進行阿秒埃級X-FEL脈沖生產。

等離子尾場加速器和等離子光電陰極注入器級

圖2:PWFA階段的胞內粒子模擬。

束運輸階段

圖3:束傳輸。

圖4:用Puffin模擬的x射線FEL脈沖產生。

這項研究開啟了廣泛的應用和配置，例如更硬的光子能量，多色光子脈沖和光子脈沖的改進模式的前景。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36592-z