A high-intensity ultrashort laser pulse interacting with a thin plasma target is shown to couple to plasma electrons, driving electron oscillations within the plasma and making these electrons bounce back and forth between plasma boundaries. Each time these recirculating electrons traverse the plasma boundary, they emit bright subcycle terahertz (THz) field waveforms via laser-driven coherent transition radiation. As a concurrent process, laser-driven electrons near the front surface of the plasma target are accelerated to relativistic velocities to emit high-order harmonics (HHs), giving rise to attosecond pulses of vacuum-ultraviolet radiation. These attosecond pulses are shown to provide a high-precision clock for subcycle THz field waveforms. We demonstrate that the delay time between HH pulses and THz waveforms can be tuned with an attosecond precision by varying the thickness of the plasma target, thus opening an avenue toward HH-pump–THz-probe studies of ultrafast processes on the attosecond time scale with table-top laser sources.

1.
P. U.
Jepsen
,
D. G.
Cooke
, and
M.
Koch
,
Laser Photon. Rev.
5
,
124
(
2011
).
2.
J. B.
Baxter
and
G. W.
Guglietta
,
Anal. Chem.
83
,
4342
(
2011
).
3.
F.
Blanchard
,
A.
Doi
,
T.
Tanaka
, and
K.
Tanaka
,
Annu. Rev. Mater. Res.
43
,
237
(
2013
).
4.
J.
Liu
,
J.
Dai
,
S. L.
Chin
, and
X.-C.
Zhang
,
Nat. Photonics
4
,
627
(
2010
).
5.
S.
Koenig
,
D.
Lopez-Diaz
,
J.
Antes
,
F.
Boes
,
R.
Henneberger
,
A.
Leuther
,
A.
Tessmann
,
R.
Schmogrow
,
D.
Hillerkuss
,
R.
Palmer
,
T.
Zwick
,
C.
Koos
,
W.
Freude
,
O.
Ambacher
,
J.
Leuthold
, and
I.
Kallfass
,
Nat. Photonics
7
,
977
(
2013
).
6.
J.
Ma
,
R.
Shrestha
,
J.
Adelberg
,
C. Y.
Yeh
,
Z.
Hossain
,
E.
Knightly
,
J. M.
Jornet
, and
D. M.
Mittleman
,
Nature
563
,
89
(
2018
).
7.
R.
Ulbricht
,
E.
Hendry
,
J.
Shan
,
T. F
Heinz
, and
M.
Bonn
,
Rev. Mod. Phys.
83
,
543
(
2011
).
8.
B.
Zaks
,
R. B.
Liu
, and
M. S.
Sherwin
,
Nature
483
,
580
(
2012
).
9.
G. S.
Edwards
,
S. J.
Allen
,
R. F.
Haglund
,
R. J.
Nemanich
,
B.
Redlich
,
J. D.
Simon
, and
W.-C.
Yang
,
Photochem. Photobiol.
81
,
711
(
2005
).
10.
T.
Kampfrath
,
K.
Tanaka
, and
K. A.
Nelson
,
Nat. Photonics
7
,
680
(
2013
).
11.
T.
Kampfrath
,
A.
Sell
,
G.
Klatt
,
A.
Pashkin
,
S.
Mährlein
,
T.
Dekorsy
,
M.
Wolf
,
M.
Fiebig
,
A.
Leitenstorfer
, and
R.
Huber
,
Nat. Photonics
5
,
31
(
2011
).
12.
T.
Feurer
,
J. C.
Vaughan
, and
K. A.
Nelson
,
Science
299
,
374
(
2003
).
13.
P. T.
Greenland
,
S. A.
Lynch
,
A. F. G.
van der Meer
,
B. N.
Murdin
,
C. R.
Pidgeon
,
B.
Redlich
,
N. Q.
Vinh
, and
G.
Aeppli
,
Nature
465
,
1057
(
2010
).
14.
E. A.
Nanni
,
W. R.
Huang
,
K.-H.
Hong
,
K.
Ravi
,
A.
Fallahi
,
G.
Moriena
,
R. J.
Dwayne Miller
, and
F. X.
Kärtner
,
Nat. Commun.
6
,
8486
(
2015
).
15.
J.
van Tilborg
,
C. B.
Schroeder
,
C. V.
Filip
,
Cs.
Tóth
,
C. G. R.
Geddes
,
G.
Fubiani
,
R.
Huber
,
R. A.
Kaindl
,
E.
Esarey
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
014801
(
2006
).
16.
W. P.
Leemans
,
C. G. R.
Geddes
,
J.
Faure
,
Cs.
Tóth
,
J.
van Tilborg
,
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
G.
Fubiani
,
D.
Auerbach
,
B.
Marcelis
,
M. A.
Carnahan
,
R. A.
Kaindl
,
J.
Byrd
, and
M. C.
Martin
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
074802
(
2003
).
17.
E.
Balogh
,
K.
Kovacs
,
P.
Dombi
,
J. A.
Fulop
,
G.
Farkas
,
J.
Hebling
,
V.
Tosa
, and
K.
Varju
,
Phys. Rev. A
84
,
023806
(
2011
).
18.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
19.
T.
Kubacka
,
J. A.
Johnson
,
M. C.
Hoffmann
,
C.
Vicario
,
S.
de Jong
,
P.
Beaud
,
S.
Grübel
,
S.-W.
Huang
,
L.
Huber
,
L.
Patthey
,
Y.-D.
Chuang
,
J. J.
Turner
,
G. L.
Dakovski
,
W.-S.
Lee
,
M. P.
Minitti
,
W.
Schlotter
,
R. G.
Moore
,
C. P.
Hauri
,
S. M.
Koohpayeh
,
V.
Scagnoli
,
G.
Ingold
,
S. L.
Johnson
, and
U.
Staub
,
Science
343
,
1333
(
2014
).
20.
M.
Kozina
,
M.
Fechner
,
P.
Marsik
,
T.
van Driel
,
J. M.
Glownia
,
C.
Bernhard
,
M.
Radovic
,
D.
Zhu
,
S.
Bonetti
,
U.
Staub
, and
M. C.
Hoffmann
,
Nat. Phys.
15
,
387
(
2019
).
21.
F.
Chen
,
Y.
Zhu
,
S.
Liu
 et al,
Phys. Rev. B
94
,
180104
(
2016
).
22.
A. X.
Gray
,
M. C.
Hoffmann
,
J.
Jeong
 et al,
Phys. Rev. B
98
,
045104
(
2018
).
23.
G.-Q.
Liao
,
Y.-T.
Li
,
Y.-H.
Zhang
,
H.
Liu
,
X.-L.
Ge
,
S.
Yang
,
W.-Q.
Wei
,
X.-H.
Yuan
,
Y.-Q.
Deng
,
B.-J.
Zhu
,
W.-M.
Wang
,
Z.-M.
Sheng
,
L.-M.
Chen
,
X.
Lu
,
J.-L.
Ma
,
X.
Wang
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
205003
(
2016
).
24.
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
J.
van Tilborg
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. E
69
,
016501
(
2004
).
25.
J.
Déchard
,
X.
Davoine
, and
L.
Bergé
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
264801
(
2019
).
26.
G.
Liao
,
Y.
Li
,
H.
Liu
,
G. G.
Scott
,
D.
Neely
,
Y.
Zhang
,
B.
Zhu
,
Z.
Zhang
,
C.
Armstrong
,
E.
Zemaityte
,
P.
Bradford
,
P. G.
Huggard
,
D. R.
Rusby
,
P.
McKenna
,
C. M.
Brenner
,
N. C.
Woolsey
,
W.
Wang
,
Z.
Sheng
, and
J.
Zhang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
116
,
3994
(
2019
).
27.
J.
Déchard
,
X.
Davoine
,
L.
Gremillet
, and
L.
Bergé
,
Phys. Plasmas
27
,
093105
(
2020
).
28.
G.-Q.
Liao
,
H.
Liu
,
G. G.
Scott
,
Y.-H.
Zhang
,
B.-J.
Zhu
,
Z.
Zhang
,
Y.-T.
Li
,
C.
Armstrong
,
E.
Zemaityte
,
P.
Bradford
,
D. R.
Rusby
,
D.
Neely
,
P. G.
Huggard
,
P.
McKenna
,
C. M.
Brenner
,
N. C.
Woolsey
,
W.-M.
Wang
,
Z.-M.
Sheng
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. X
10
,
031062
(
2020
).
29.
L. D.
Landau
and
E. M.
Lifshitz
,
Electrodynamics of Continuous Media
(
Pergamon
,
Oxford
,
1960
).
30.
G. Q.
Liao
,
Y. T.
Li
,
C.
Li
,
H.
Liu
,
Y. H.
Zhang
,
W. M.
Jiang
,
X. H.
Yuan
,
J.
Nilsen
,
T.
Ozaki
,
W. M.
Wang
,
Z. M.
Sheng
,
D.
Neely
,
P.
McKenna
, and
J.
Zhang
,
Plasma Phys. Control. Fusion
59
,
014039
(
2017
).
31.
S.
Herzer
,
A.
Woldegeorgis
,
J.
Polz
,
A.
Reinhard
,
M.
Almassarani
,
B.
Beleites
,
F.
Ronneberger
,
R.
Grosse
,
G. G.
Paulus
,
U.
Hübner
,
T.
May
, and
A.
Gopal
,
New J. Phys.
20
,
063019
(
2018
).
32.
U.
Teubner
and
P.
Gibbon
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
445
(
2009
).
33.
A.
Pukhov
and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
3975
(
1996
).
34.
J.
Derouillat
,
A.
Beck
,
F.
Pérez
,
T.
Vinci
,
M.
Chiaramello
,
A.
Grassi
,
M.
Flé
,
G.
Bouchard
,
I.
Plotnikov
,
N.
Aunai
,
J.
Dargent
,
C.
Riconda
, and
M.
Grech
,
Comput. Phys. Commun.
222
,
351
(
2018
).
35.
A. A.
Voronin
and
A. M.
Zheltikov
,
Phys. Usp.
59
,
869
(
2016
).
36.
D.
von der Linde
and
K.
Rzàzewski
,
Appl. Phys. B
63
,
499
(
1996
).
37.
A.
Tarasevitch
,
K.
Lobov
,
C.
Wünsche
, and
D.
von der Linde
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
103902
(
2007
).
38.
B.
Dromey
,
S.
Rykovanov
,
M.
Yeung
,
R.
Hörlein
,
D.
Jung
,
D. C.
Gautier
,
T.
Dzelzainis
,
D.
Kiefer
,
S.
Palaniyppan
,
R.
Shah
,
J.
Schreiber
,
H.
Ruhl
,
J. C.
Fernandez
,
C. L. S.
Lewis
,
M.
Zepf
, and
B. M.
Hegelich
,
Nat. Phys.
8
,
804
(
2012
).
39.
A.
Borot
,
A.
Malvache
,
X.
Chen
,
A.
Jullien
,
J.-P.
Geindre
,
P.
Audebert
,
G.
Mourou
,
F.
Quéré
, and
R.
Lopez-Martens
,
Nat. Phys.
8
,
416
(
2012
).
40.
J. M.
Mikhailova
,
M. V.
Fedorov
,
N.
Karpowicz
,
P.
Gibbon
,
V. T.
Platonenko
,
A. M.
Zheltikov
, and
F.
Krausz
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
245005
(
2012
).
41.
A.
Malvache
,
A.
Borot
,
F.
Quéré
, and
R.
Lopez-Martens
,
Phys. Rev. E
87
,
035101
(
2013
).
42.
A.
Leblanc
,
S.
Monchocé
,
H.
Vincenti
,
S.
Kahaly
,
J.-L.
Vay
, and
F.
Quéré
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
155001
(
2017
).
43.
S.
Kahaly
,
S.
Monchocé
,
H.
Vincenti
,
T.
Dzelzainis
,
B.
Dromey
,
M.
Zepf
,
Ph.
Martin
, and
F.
Quéré
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
175001
(
2013
).
44.
A.
Tarasevitch
,
A.
Orisch
,
D.
von der Linde
,
Ph.
Balcou
,
G.
Rey
,
J.-P.
Chambaret
,
U.
Teubner
,
D.
Klöpfel
, and
W.
Theobald
,
Phys. Rev. A
62
,
023816
(
2000
).
45.
C.
Thaury
and
F.
Quéré
,
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.
43
,
213001
(
2010
).
You do not currently have access to this content.