To investigate photoinduced phenomena in various materials and molecules, ultrashort pulsed x-ray and electron sources with high brightness and high repetition rates are required. The x-ray and electron’s typical and de Broglie wavelengths are shorter than lattice constants of materials and molecules. Therefore, photoinduced structural dynamics on the femtosecond to picosecond timescales can be directly observed in a diffraction manner by using these pulses. This research created a tabletop ultrashort pulsed electron diffraction setup that used a femtosecond laser and electron pulse compression cavity that was directly synchronized to the microwave master oscillator (∼3 GHz). A compressed electron pulse with a 1 kHz repetition rate contained 228 000 electrons. The electron pulse duration was estimated to be less than 100 fs at the sample position by using photoinduced immediate lattice changes in an ultrathin silicon film (50 nm). The newly developed time-resolved electron diffraction setup has a pulse duration that is comparable to femtosecond laser pulse widths (35–100 fs). The pulse duration, in particular, fits within the timescale of photoinduced phenomena in quantum materials. Our developed ultrafast time-resolved electron diffraction setup with a sub-100 fs temporal resolution would be a powerful tool in material science with a combination of optical pump–probe, time-resolved photoemission spectroscopic, and pulsed x-ray measurements.

1.
S.
Koshihara
,
T.
Ishikawa
,
Y.
Okimoto
,
K.
Onda
,
R.
Fukaya
,
M.
Hada
,
Y.
Hayashi
,
S.
Ishihara
, and
T.
Luty
,
Phys. Rep.
942
,
1
61
(
2022
).
2.
S. A.
Dönges
,
O.
Khatib
,
B. T.
O’Callahan
,
J. M.
Atkin
,
J. H.
Park
,
D.
Cobden
, and
M. B.
Raschke
,
Nano Lett.
16
,
3029
3035
(
2016
).
3.
C. W.
Nicholson
,
A.
Lücke
,
W. G.
Schmidt
,
M.
Puppin
,
L.
Rettig
,
R.
Ernstorfer
, and
M.
Wolf
,
Science
362
,
821
825
(
2018
).
4.
Q. M.
Liu
,
D.
Wu
,
Z. A.
Li
,
L. Y.
Shi
,
Z. X.
Wang
,
S. J.
Zhang
,
T.
Lin
,
T. C.
Hu
,
H. F.
Tian
,
J. Q.
Li
,
T.
Dong
, and
N. L.
Wang
,
Nat. Commun.
12
,
2050
(
2021
).
5.
P.
Emma
,
R.
Akre
,
J.
Arthur
,
R.
Bionta
,
C.
Bostedt
,
J.
Bozek
,
A.
Brachmann
,
P.
Bucksbaum
,
R.
Coffee
,
F.-J.
Decker
,
Y.
Ding
,
D.
Dowell
,
S.
Edstrom
,
A.
Fisher
,
J.
Frisch
,
S.
Gilevich
,
J.
Hastings
,
G.
Hays
,
Ph.
Hering
,
Z.
Huang
,
R.
Iverson
,
H.
Loos
,
M.
Messerschmidt
,
A.
Miahnahri
,
S.
Moeller
,
H.-D.
Nuhn
,
G.
Pile
,
D.
Ratner
,
J.
Rzepiela
,
D.
Schultz
,
T.
Smith
,
P.
Stefan
,
H.
Tompkins
,
J.
Turner
,
J.
Welch
,
W.
White
,
J.
Wu
,
G.
Yocky
, and
J.
Galayda
,
Nat. Photonics
4
,
641
647
(
2010
).
6.
D.
Pile
,
Nat. Photonics
5
,
456
457
(
2011
).
7.
T.
Ishikawa
,
H.
Aoyagi
,
T.
Asaka
,
Y.
Asano
,
N.
Azumi
,
T.
Bizen
,
H.
Ego
,
K.
Fukami
,
T.
Fukui
,
Y.
Furukawa
,
S.
Goto
,
H.
Hanaki
,
T.
Hara
,
T.
Hasegawa
,
T.
Hatsui
,
A.
Higashiya
,
T.
Hirono
,
N.
Hosoda
,
M.
Ishii
,
T.
Inagaki
,
Y.
Inubushi
,
T.
Itoga
,
Y.
Joti
,
M.
Kago
,
T.
Kameshima
,
H.
Kimura
,
Y.
Kirihara
,
A.
Kiyomichi
,
T.
Kobayashi
,
C.
Kondo
,
T.
Kudo
,
H.
Maesaka
,
X. M.
Maréchal
,
T.
Masuda
,
S.
Matsubara
,
T.
Matsumoto
,
T.
Matsushita
,
S.
Matsui
,
M.
Nagasono
,
N.
Nariyama
,
H.
Ohashi
,
T.
Ohata
,
T.
Ohshima
,
S.
Ono
,
Y.
Otake
,
C.
Saji
,
T.
Sakurai
,
T.
Sato
,
K.
Sawada
,
T.
Seike
,
K.
Shirasawa
,
T.
Sugimoto
,
S.
Suzuki
,
S.
Takahashi
,
H.
Takebe
,
K.
Takeshita
,
K.
Tamasaku
,
H.
Tanaka
,
R.
Tanaka
,
T.
Tanaka
,
T.
Togashi
,
K.
Togawa
,
A.
Tokuhisa
,
H.
Tomizawa
,
K.
Tono
,
S.
Wu
,
M.
Yabashi
,
M.
Yamaga
,
A.
Yamashita
,
K.
Yanagida
,
C.
Zhang
,
T.
Shintake
,
H.
Kitamura
, and
N.
Kumagai
,
Nat. Photonics
6
,
540
544
(
2012
).
8.
C.
Bostedt
,
S.
Boutet
,
D. M.
Fritz
,
Z.
Huang
,
H. J.
Lee
,
H. T.
Lemke
,
A.
Robert
,
W. F.
Schlotter
,
J. J.
Turner
, and
G. J.
Williams
,
Rev. Mod. Phys.
88
,
015007
(
2016
).
9.
M.
Kozlova
and
J.
Nejdl
,
X Ray Lasers Proceedings in Physics
(
Springer
,
2018
), Vol. 241, p.
2020
.
10.
D.
Bleiner
,
Proc. SPIE
11886
,
1188602
(
2021
).
11.
P.
Musumeci
,
J. T.
Moody
,
C. M.
Scoby
,
M. S.
Gutierrez
, and
M.
Westfall
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
063502
(
2010
).
12.
P.
Musumeci
,
J. T.
Moody
,
C. M.
Scoby
,
M. S.
Gutierrez
,
H. A.
Bender
, and
N. S.
Wilcox
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
013306
(
2010
).
13.
Y.
Murooka
,
N.
Naruse
,
S.
Sakakihara
,
M.
Ishimaru
,
J.
Yang
, and
K.
Tanimura
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
251903
(
2011
).
14.
R. K.
Li
and
P.
Musumeci
,
Phys. Rev. Appl.
2
,
024003
(
2014
).
15.
S.
Manz
,
A.
Casandruc
,
D.
Zhang
,
Y.
Zhong
,
R. A.
Loch
,
A.
Marx
,
T.
Hasegawa
,
L. C.
Liu
,
S.
Bayesteh
,
H.
Delsim-Hashemi
,
M.
Hoffmann
,
M.
Felber
,
M.
Hachmann
,
F.
Mayet
,
J.
Hirscht
,
S.
Keskin
,
M.
Hada
,
S. W.
Epp
,
K.
Flöttmann
, and
R. J. D.
Miller
,
Faraday Discuss.
177
,
467
491
(
2015
).
16.
S. P.
Weathersby
,
G.
Brown
,
M.
Centurion
,
T. F.
Chase
,
R.
Coffee
,
J.
Corbett
,
J. P.
Eichner
,
J. C.
Frisch
,
A. R.
Fry
,
M.
Gühr
,
N.
Hartmann
,
C.
Hast
,
R.
Hettel
,
R. K.
Jobe
,
E. N.
Jongewaard
,
J. R.
Lewandowski
,
R. K.
Li
,
A. M.
Lindenberg
,
I.
Makasyuk
,
J. E.
May
,
D.
McCormick
,
M. N.
Nguyen
,
A. H.
Reid
,
X.
Shen
,
K.
Sokolowski-Tinten
,
T.
Vecchione
,
S. L.
Vetter
,
J.
Wu
,
J.
Yang
,
H. A.
Dürr
, and
X. J.
Wang
,
Rev. Sci. Instrum.
86
,
073702
(
2015
).
17.
R. F.
Egerton
,
P.
Li
, and
M.
Malac
,
Micron
35
,
399
409
(
2004
).
19.
J.
Maxson
,
D.
Cesar
,
G.
Calmasini
,
A.
Ody
,
P.
Musumeci
, and
D.
Alesini
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
154802
(
2017
).
20.
F.
Qi
,
Z.
Ma
,
L.
Zhao
,
Y.
Cheng
,
W.
Jiang
,
C.
Lu
,
T.
Jiang
,
D.
Qian
,
Z.
Wang
,
W.
Zhang
,
P.
Zhu
,
X.
Zou
,
W.
Wan
,
D.
Xiang
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
134803
(
2020
).
21.
T.
van Oudheusden
,
E. F.
de Jong
,
S. B.
van der Geer
,
W. P. E. M.
Op’t Root
,
O. J.
Luiten
, and
B. J.
Siwick
,
J. Appl. Phys.
102
,
093501
(
2007
).
22.
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
).
23.
R. P.
Chatelain
,
V. R.
Morrison
,
C.
Godbout
, and
B. J.
Siwick
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
081901
(
2012
).
24.
Z.
Tao
,
H.
Zhang
,
P. M.
Duxbury
,
M.
Berz
, and
C.-Y.
Ruan
,
J. Appl. Phys.
111
,
044316
(
2012
).
25.
V. R.
Morrison
,
R. P.
Chatelain
,
C.
Godbout
, and
B. J.
Siwick
,
Opt. Express
21
,
21
29
(
2013
).
26.
M.
Gao
,
Y.
Jiang
,
G. H.
Kassier
, and
R. J.
Dwayne Miller
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
033503
(
2013
).
27.
M.
Hada
,
K.
Pichugin
, and
G.
Sciaini
,
Eur. Phys. J.: Spec. Top.
222
,
1093
1123
(
2013
).
28.
M. R.
Otto
,
L. P.
René de Cotret
,
M. J.
Stern
, and
B. J.
Siwick
,
Struct. Dyn.
4
,
051101
(
2017
).
29.
C.
Kealhofer
,
W.
Schneider
,
D.
Ehberger
,
A.
Ryabov
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
Science
352
,
429
433
(
2016
).
30.
D.
Zhang
,
A.
Fallahi
,
M.
Hemmer
,
X.
Wu
,
M.
Fakhari
,
Y.
Hua
,
H.
Cankaya
,
A.-L.
Calendron
,
L. E.
Zapata
,
N. H.
Matlis
, and
F. X.
Kärtner
,
Nat. Photonics
12
,
336
432
(
2018
).
31.
S.
Inoue
,
S.
Sakabe
,
Y.
Nakamiya
, and
M.
Hashida
,
Sci. Rep.
10
,
20387
(
2020
).
32.
M.
Eichberger
,
H.
Schäfer
,
M.
Krumova
,
M.
Beyer
,
J.
Demsar
,
H.
Berger
,
G.
Moriena
,
G.
Sciaini
, and
R. J. D.
Miller
,
Nature
468
,
799
802
(
2010
).
33.
T. R.
Han
,
F.
Zhou
,
C. D.
Malliakas
,
P. M.
Duxbury
,
S. D.
Mahanti
,
M. G.
Kanatzidis
, and
C. Y.
Ruan
,
Sci. Adv.
1
,
e1400173
(
2015
).
34.
S.
Ideta
,
D.
Zhang
,
A. G.
Dijkstra
,
S.
Artykhin
,
S.
Keskin
,
R.
Cingolani
,
T.
Shimojima
,
K.
Ishizaka
,
H.
Ishii
,
K.
Kudo
,
M.
Nohara
, and
R. J. D.
Miller
,
Sci. Adv.
4
,
eaar3867
(
2018
).
35.
M.
Hada
,
S.
Ohmura
,
T.
Ishikawa
,
M.
Saigo
,
N.
Keio
,
W.
Yajima
,
T.
Suzuki
,
D.
Urushihara
,
K.
Takubo
,
Y.
Masaki
,
M.
Kuwahara
,
K.
Tsuruta
,
Y.
Hayashi
,
J.
Matsuo
,
T.
Yokoya
,
K.
Onda
,
F.
Shimojo
,
M.
Hase
,
S.
Ishihara
,
T.
Asaka
,
N.
Abe
,
T.-h.
Arima
,
S.-y.
Koshihara
, and
Y.
Okimoto
,
Appl. Mater. Today
24
,
101167
(
2021
).
36.
M.
Gao
,
C.
Lu
,
H.
Jean-Ruel
,
L. C.
Liu
,
A.
Marx
,
K.
Onda
,
S.-y.
Koshihara
,
Y.
Nakano
,
X.
Shao
,
T.
Hiramatsu
,
G.
Saito
,
H.
Yamochi
,
R. R.
Cooney
,
G.
Moriena
,
G.
Sciaini
, and
R. J.
Dwayne Miller
,
Nature
496
,
343
346
(
2013
).
37.
T.
Ishikawa
,
S. A.
Hayes
,
S.
Keskin
,
G.
Corthey
,
M.
Hada
,
K.
Pichugin
,
A.
Marx
,
J.
Hirscht
,
K.
Shionuma
,
K.
Onda
,
Y.
Okimoto
,
S.-y.
Koshihara
,
T.
Yamamoto
,
H.
Cui
,
M.
Nomura
,
Y.
Oshima
,
M.
Abdel-Jawad
,
R.
Kato
, and
R. J. D.
Miller
,
Science
350
,
1501
1505
(
2015
).
38.
L. C.
Liu
,
Y.
Jiang
,
H. M.
Mueller-Werkmeister
,
C.
Lu
,
G.
Moriena
,
M.
Ishikawa
,
Y.
Nakano
,
H.
Yamochi
, and
R. J. D.
Miller
,
Chem. Phys. Lett.
683
,
160
165
(
2017
).
39.
M.
Hada
,
Y.
Nishina
, and
T.
Kato
,
Acc. Chem. Res.
54
,
731
743
(
2021
).
40.
L.
Perfetti
,
P. A.
Loukakos
,
M.
Lisowski
,
U.
Bovensiepen
,
H.
Berger
,
S.
Biermann
,
P. S.
Cornaglia
,
A.
Georges
, and
M.
Wolf
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
067402
(
2006
).
41.
Y.
Okimoto
,
T.
Miyata
,
M. S.
Endo
,
M.
Kurashima
,
K.
Onda
,
T.
Ishikawa
,
S.
Koshihara
,
M.
Lorenc
,
E.
Collet
,
H.
Cailleau
, and
T.
Arima
,
Phys. Rev. B
84
,
121102(R)
(
2011
).
42.
K.
Onda
,
S.
Ogihara
,
K.
Yonemitsu
,
N.
Maeshima
,
T.
Ishikawa
,
Y.
Okimoto
,
X. F.
Shao
,
Y.
Nakano
,
H.
Yamochi
,
G.
Saito
, and
S.
Koshihara
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
067403
(
2008
).
43.
K.
Onda
,
H.
Yamochi
, and
S.-y.
Koshihara
,
Acc. Chem. Res.
47
,
3494
3503
(
2014
).
44.
M.
Hase
,
M.
Kitajima
,
A. M.
Constantinescu
, and
H.
Petek
,
Nature
426
,
51
54
(
2003
).
45.
M.
Hase
,
M.
Katsuragawa
,
A. M.
Constantinescu
, and
H.
Petek
,
Nat. Photonics
6
,
243
247
(
2012
).
46.
G. M. H.
Knippels
,
M. J.
van de Pol
,
H. P. M.
Pellemans
,
P. C. M.
Planken
, and
A. F. G.
van der Meer
,
Opt. Lett.
23
,
1754
1756
(
1998
).
47.
M.
Csatari Divall
,
M.
Kaiser
,
S.
Hunziker
,
C.
Vicario
,
B.
Beutner
,
T.
Schietinger
,
M.
Lüthi
,
M.
Pedrozzi
, and
C. P.
Hauri
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
735
,
471
(
2014
).
48.
M.
Csatari Divall
,
P.
Mutter
,
E. J.
Divall
, and
C. P.
Hauri
,
Opt. Express
23
,
29929
29939
(
2015
).
49.
K.
Floettmann
, A Space Charge Tracking Algorithm, https://www.desy.de/%20mpyflo/.
50.
S.
Setzer
,
R.
Cee
,
M.
Krassilnikov
, and
T.
Weiland
, “
FEL photoinjector simulation studies by combining MAFIA TS2 and ASTRA
,” in
Proceedings of EPAC
,
2002
.
51.
J. H.
Billen
and
L. M.
Young
, Poisson Superfish, LA-UR-96-1834.
52.
S.
Nie
,
X.
Wang
,
H.
Park
,
R.
Clinite
, and
J.
Cao
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
025901
(
2006
).
53.
G.
Moriena
,
M.
Hada
,
G.
Sciaini
,
J.
Matsuo
, and
R. J.
Dwayne Miller
,
J. Appl. Phys.
111
,
043504
(
2012
).
54.
C.
Thomsen
,
H. T.
Grahn
,
H. J.
Maris
, and
J.
Tauc
,
Phys. Rev. B
34
,
4129
(
1986
).
55.
M.
Harb
,
W.
Peng
,
G.
Sciaini
,
C. T.
Hebeisen
,
R.
Ernstorfer
,
M. A.
Eriksson
,
M. G.
Lagally
,
S. G.
Kruglik
, and
R. J. D.
Miller
,
Phys. Rev. B
79
,
094301
(
2009
).
56.
J.
Fabian´ska
,
G.
Kassier
, and
T.
Feurer
,
Sci. Rep.
4
,
5645
(
2014
).
You do not currently have access to this content.