We present a nano-scale photoelectron source, optimized for ultrashort pulse durations and well-suited for time-resolved diffraction and advanced laser acceleration experiments. A tungsten tip of several-ten-nanometers diameter mounted in a suppressor-extractor electrode configuration allows the generation of 30 keV electron pulses with an estimated pulse duration of 9 fs (standard deviation; 21 fs full width at half maximum) at the gun exit. We infer the pulse duration from particle tracking simulations, which are in excellent agreement with experimental measurements of the electron-optical properties of the source in the spatial domain. We also demonstrate femtosecond-laser triggered operation of the apparatus. The temporal broadening of the pulse upon propagation to a diffraction sample can be greatly reduced by collimating the beam. Besides the short electron pulse duration, a tip-based source is expected to feature a large transverse coherence and a nanometric emittance.

1.
A. H.
Zewail
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
57
,
65
(
2006
).
2.
G.
Sciaini
and
R. J. D.
Miller
,
Rep. Prog. Phys.
74
,
096101
(
2011
).
3.
W. E.
King
,
G. H.
Campbell
,
A.
Frank
,
B.
Reed
,
J. F.
Schmerge
,
B. J.
Siwick
,
B. C.
Stuart
, and
P. M.
Weber
,
J. Appl. Phys.
97
,
111101
(
2005
).
4.
G.
Sciaini
,
M.
Harb
,
S. G.
Kruglik
,
T.
Payer
,
C. T.
Hebeisen
,
F.-J.
M. z. Heringdorf
,
M.
Yamaguchi
,
M. H.-v.
Hoegen
,
R.
Ernstorfer
, and
R. J. D.
Miller
,
Nature
458
,
56
(
2009
).
5.
P.
Baum
,
D.-S.
Yang
, and
A. H.
Zewail
,
Science
318
,
788
(
2007
).
6.
F. O.
Kirchner
,
S.
Lahme
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
New J. Phys.
15
,
063021
(
2013
).
7.
B. J.
Siwick
,
J. R.
Dwyer
,
R. E.
Jordan
, and
R. J. D.
Miller
,
J. Appl. Phys.
92
,
1643
(
2002
).
8.
B. J.
Siwick
,
J. R.
Dwyer
,
R. E.
Jordan
, and
R. J. D.
Miller
,
Science
302
,
1382
(
2003
).
9.
A.
Gahlmann
,
S.
Tae Park
, and
A. H.
Zewail
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
2894
(
2008
).
10.
T.
van Oudheusden
,
P. L. E. M.
Pasmans
,
S. B.
van der Geer
,
M. J.
de Loos
,
M. J.
van der Wiel
, and
O. J.
Luiten
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
264801
(
2010
).
11.
A.
Gliserin
,
A.
Apolonski
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
New J. Phys.
14
,
073055
(
2012
).
12.
G. H.
Kassier
,
K.
Haupt
,
N.
Erasmus
,
E. G.
Rohwer
, and
H.
Schwoerer
,
J. Appl. Phys.
105
,
113111
(
2009
).
13.
P.
Baum
and
A. H.
Zewail
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
104
,
18409
(
2007
).
14.
Y. H.
Wang
and
N.
Gedik
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
18
,
140
(
2012
).
15.
A.
Lassise
,
P. H. A.
Mutsaers
, and
O. J.
Luiten
,
Rev. Sci. Instrum.
83
,
043705
(
2012
).
16.
G.
Mancini
,
B.
Mansart
,
S.
Pagano
,
B.
van der Geer
,
M.
de Loos
, and
F.
Carbone
,
Nucl. Instrum. Phys. Res. A
691
,
113
(
2012
).
17.
G. J. H.
Brussaard
,
A.
Lassise
,
P. L. E. M.
Pasmans
,
P. H. A.
Mutsaers
,
M. J.
van der Wiel
, and
O. J.
Luiten
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
141105
(
2013
).
18.
M.
Eichberger
,
N.
Erasmus
,
K.
Haupt
,
G.
Kassier
,
A.
von Flotow
,
J.
Demsar
, and
H.
Schwoerer
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
121106
(
2013
).
19.
M.
Gao
,
Y.
Jiang
,
G. H.
Kassier
, and
R. J. D.
Miller
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
033503
(
2013
).
20.
P.
Baum
and
A. H.
Zewail
,
Chem. Phys. Lett.
462
,
14
(
2008
).
21.
A. H.
Zewail
,
Science
328
,
187
(
2010
).
22.
M.
Aidelsburger
,
F. O.
Kirchner
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
107
,
19714
(
2010
).
23.
A.
Gahlmann
,
S.
Tae Park
, and
A. H.
Zewail
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
2806
(
2009
).
24.
H.
Stapelfeldt
and
T.
Seideman
,
Rev. Mod. Phys.
75
,
543
(
2003
).
25.
A.
Gahlmann
,
I.-R.
Lee
, and
A. H.
Zewail
,
Ang. Chem., Int. Ed.
49
,
6524
(
2010
).
26.
I.-R.
Lee
,
A.
Gahlmann
, and
A. H.
Zewail
,
Ang. Chem., Int. Ed.
51
,
99
(
2012
).
27.
P.
Baum
and
A. H.
Zewail
,
Chem. Phys.
366
,
2
(
2009
).
28.
P.
Hommelhoff
,
Y.
Sortais
,
A.
Aghajani-Talesh
, and
M. A.
Kasevich
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
077401
(
2006
).
29.
P.
Hommelhoff
,
C.
Kealhofer
, and
M. A.
Kasevich
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
247402
(
2006
).
30.
C.
Ropers
,
D. R.
Solli
,
C. P.
Schulz
,
C.
Lienau
, and
T.
Elsaesser
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
043907
(
2007
).
31.
H.
Yanagisawa
,
C.
Hafner
,
P.
Doná
,
M.
Klöckner
,
D.
Leuenberger
,
T.
Greber
,
M.
Hengsberger
, and
J.
Osterwalder
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
257603
(
2009
).
32.
M.
Schenk
,
M.
Krüger
, and
P.
Hommelhoff
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
257601
(
2010
).
33.
R.
Bormann
,
M.
Gulde
,
A.
Weismann
,
S. V.
Yalunin
, and
C.
Ropers
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
147601
(
2010
).
34.
M.
Krüger
,
M.
Schenk
, and
P.
Hommelhoff
,
Nature
475
,
78
(
2011
).
35.
G.
Herink
,
D. R.
Solli
,
M.
Gulde
, and
C.
Ropers
,
Nature
483
,
190
(
2012
).
36.
D.-S.
Yang
,
O. F.
Mohammed
, and
A. H.
Zewail
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
107
,
14993
(
2010
).
37.
E.
Peralta
,
K.
Soong
,
E. R.
England
,
R. J.
Colby
,
Z.
Wu
,
B.
Montazeri
,
C.
McGuinness
,
J.
McNeur
,
K. J.
Leedle
,
D.
Walz
,
E.
Sozer
,
B.
Cowan
,
B.
Schwartz
,
G.
Travish
, and
R. L.
Byer
,
Nature
503
,
91
(
2013
).
38.
J.
Breuer
and
P.
Hommelhoff
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
134803
(
2013
).
39.
B. W. J.
McNeil
and
N. R.
Thompson
,
Nat. Photon.
4
,
814
(
2010
).
40.
R.
Ganter
,
R.
Bakker
,
C.
Gough
,
S. C.
Leemann
,
M.
Paraliev
,
M.
Pedrozzi
,
F.
Le Pimpec
,
V.
Schlott
,
L.
Rivkin
, and
A.
Wrulich
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
064801
(
2008
).
41.
H.
Yanagisawa
,
C.
Hafner
,
P.
Doná
,
M.
Klöckner
,
D.
Leuenberger
,
T.
Greber
,
J.
Osterwalder
, and
M.
Hengsberger
,
Phys. Rev. B
81
,
115429
(
2010
).
42.
P. W.
Hawkes
and
E.
Kasper
, “
Principles of electron optics
,” in
Applied Geometrical Optics
(
Academic Press
,
London
,
1989
), Vol. 2.
43.
B.
Cho
,
T.
Ichimura
,
R.
Shimizu
, and
C.
Oshima
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
246103
(
2004
).
44.
G.
Pozzi
,
Optik
77
,
69
(
1987
).
45.
P. W.
Hawkes
and
E.
Kasper
, “
Principles of electron optics
,” in
Wave Optics
(
Academic Press
,
London
,
1994
), Vol. 3.
46.
J. C. H.
Spence
,
High-Resolution Electron Microscopy
(
Oxford University Press
,
New York
,
2003
).
47.
B.
Cho
and
C.
Oshima
,
Bull. Korean Chem. Soc.
34
,
892
(
2013
).
48.
A. J.
McCulloch
,
D. V.
Sheludko
,
M.
Junker
, and
R. E.
Scholten
,
Nat. Commun.
4
,
1692
(
2013
).
49.
W. J.
Engelen
,
M. A.
van der Heijden
,
D. J.
Bakker
,
E. J. D.
Vredenbregt
, and
O. J.
Luiten
,
Nat. Commun.
4
,
1693
(
2013
).
50.
A.
Janzen
,
B.
Krenzer
,
O.
Heinz
,
P.
Zhou
,
D.
Thien
,
A.
Hanisch
,
F.-J. M.
zu Heringdorf
,
D.
von der Linde
, and
M. H.
von Hoegen
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
013906
(
2007
).
51.
P.
Hommelhoff
,
C.
Kealhofer
,
A.
Aghajani-Talesh
,
Y. R.
Sortais
,
S. M.
Foreman
, and
M. A.
Kasevich
,
Ultramicroscopy
109
,
423
(
2009
).
52.
A.
Paarmann
,
M.
Gulde
,
M.
Müller
,
S.
Schäfer
,
S.
Schweda
,
M.
Maiti
,
C.
Xu
,
T.
Hohage
,
F.
Schenk
,
C.
Ropers
, and
R.
Ernstorfer
,
J. Appl. Phys.
112
,
113109
(
2012
).
53.
M.
Krüger
,
M.
Schenk
,
M.
Förster
, and
P.
Hommelhoff
,
J. Phys. B
45
,
074006
(
2012
).
54.
C.
Weninger
and
P.
Baum
,
Ultramicroscopy
113
,
145
(
2012
).
55.
F. O.
Kirchner
,
A.
Gliserin
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
Nat. Photon.
8
,
52
(
2014
).
56.
P.
Baum
,
Chem. Phys.
423
,
55
(
2013
).
57.
J.
Breuer
and
P.
Hommelhoff
,
Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams
17
,
021301
(
2014
).
You do not currently have access to this content.