Recent progress in ultrafast lasers, ultrafast X-rays and ultrafast electron beams has made it possible to watch the motion of atoms in real time through pumpprobe technique. In this review, we focus on how the molecular dynamics can be studied with ultrafast electron diffraction where the dynamics is initiated by a pumping laser and then probed by pulsed electron beams. This technique allows one to track the molecular dynamics with femtosecond time resolution and Ångström spatial resolution. We present the basic physics and latest development of this technique. Representative applications of ultrafast electron diffraction in studies of laser-induced molecular dynamics are also discussed. This table-top technique is complementary to X-ray free-electron laser and we expect it to have a strong impact in studies of chemical dynamics.

[1]
J. C.
Polanyi
and
A. H.
Zewail
,
Acc. Chem. Res.
28
,
119
(
1995
).
[2]
R. J.
Miller
, Dwayne,
Annu. Rev. Phys. Chem.
65
,
583
(
2014
).
[3]
S.
Pedersen
,
J. L.
Herek
, and
A. H.
Zewail
,
Science
266
,
1359
(
1994
).
[4]
D. H.
Waldeck
,
J. Mol. Liq.
57
,
127
(
1993
).
[5]
R. W.
Schoenlein
,
L. A.
Peteanu
,
R. A.
Mathies
, and
C. V.
Shank
,
Science
254
,
412
(
1991
).
[6]
R.
Mathies
,
C. Brito
Cruz
,
W.
Pollard
, and
C.
Shank
,
Science
240
,
777
(
1988
).
[7]
A.
Zewail
,
Angew. Chem. Int. Ed.
31
,
2586
(
2000
).
[8]
J.
Kuepper
,
S.
Stern
,
L.
Holmegaard
,
F.
Filsinger
, and
A.
Rouzee
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
83002
(
2014
).
[9]
H.
Ihee
,
M.
Lorenc
,
T. K.
Kim
,
Q. Y.
Kong
,
M.
Cammarata
,
J. H.
Lee
,
S.
Bratos
, and
M.
Wulff
,
Science
309
,
1223
(
2005
).
[10]
C. W.
Siders
,
A.
Cavalleri
, and
K.
Sokolowski-Tinten
,
Science
286
,
1340
(
1999
).
[11]
M. P.
Minitti
,
J. M.
Budarz
,
A.
Kirrander
,
J. S.
Robinson
,
D.
Ratner
,
T. J.
Lane
,
D.
Zhu
,
J. M.
Glownia
,
M.
Kozina
,
H. T.
Lemke
,
M.
Sikorski
,
Y.
Feng
,
S.
Nelson
,
K.
Saita
,
B.
Stankus
,
T.
Northey
,
J. B.
Hastings
, and
P. M.
Weber
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
5
(
2015
).
[12]
M.
Gao
,
C.
Lu
,
H.
Jean-Ruel
,
L. C.
Liu
,
A.
Marx
,
K.
Onda
,
S.
Koshihara
,
Y.
Nakano
,
X. F.
Shao
,
T.
Hiramatsu
,
G.
Saito
,
H.
Yamochi
,
R. R.
Cooney
,
G.
Moriena
,
G.
Sciaini
, and
R. J. D.
Miller
,
Nature
496
,
343
(
2013
).
[13]
B. J.
Siwick
,
J. R.
Dwyer
,
R. E.
Jordan
, and
R. J. D.
Miller
,
Science
302
,
1382
(
2003
).
[14]
H.
Ihee
,
V. A.
Lobastov
,
U. M.
Gomez
,
B. M.
Goodson
,
R.
Srinivasan
,
C. Y.
Ruan
, and
A. H.
Zewail
,
Science
291
,
458
(
2001
).
[15]
R.
Srinivasan
,
J. S.
Feenstra
,
T. P.
Sang
,
S.
Xu
, and
A. H.
Zewail
,
Science
307
,
558
(
2005
).
[16]
R.
Henderson
,
Q. Rev. Biophys.
28
,
171
(
1995
).
[17]
H. E.
Elsayed-Ali
and
G. A.
Mourou
,
Appl. Phys. Lett.
52
,
103
(
1988
).
[18]
C. Y.
Ruan
,
V. A.
Lobastov
,
R.
Srinivasan
,
B. M.
Goodson
,
H.
Ihee
, and
A. H.
Zewail
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
98
,
7117
(
2001
).
[19]
X.
Shen
,
J. P. F.
Nunes
,
J.
Yang
,
R. K.
Jobe
,
R. K.
Li
,
M. F.
Lin
,
B.
Moore
,
M.
Niebuhr
,
S. P.
Weathersby
,
T. J. A.
Wolf
,
C.
Yoneda
,
M.
Guehr
,
M.
Centurion
, and
X. J.
Wang
,
Struct. Dyn.
6
,
9
(
2019
).
[20]
J.
Yang
,
M.
Guehr
,
T.
Vecchione
,
M. S.
Robinson
,
R. K.
Li
,
N.
Hartmann
,
X. Z.
Shen
,
R.
Coffee
,
J.
Corbett
,
A.
Fry
,
K.
Gaffney
,
T.
Gorkhover
,
C.
Hast
,
K.
Jobe
,
I.
Makasyuk
,
A.
Reid
,
J.
Robinson
,
S.
Vetter
,
F. L.
Wang
,
S.
Weathersby
,
C.
Yoneda
,
M.
Centurion
, and
X. J.
Wang
,
Nat. Commun.
7
,
9
(
2016
).
[21]
J.
Yang
,
M.
Guehr
,
X. Z.
Shen
,
R. K.
Li
,
T.
Vecchione
,
R.
Coffee
,
J.
Corbett
,
A.
Fry
,
N.
Hartmann
,
C.
Hast
,
K.
Hegazy
,
K.
Jobe
,
I.
Makasyuk
,
J.
Robinson
,
M. S.
Robinson
,
S.
Vetter
,
S.
Weathersby
,
C.
Yoneda
,
X. J.
Wang
, and
M.
Centurion
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
6
(
2016
).
[22]
J.
Yang
,
X. L.
Zhu
,
T. J. A.
Wolf
,
Z.
Li
,
J. P. F.
Nunes
,
R.
Coffee
,
J. P.
Cryan
,
M.
Guhr
,
K.
Hegazy
,
T. F.
Heinz
,
K.
Jobe
,
R. K.
Li
,
X. Z.
Shen
,
T.
Veccione
,
S.
Weathersby
,
K. J.
Wilkin
,
C.
Yoneda
,
Q.
Zheng
,
T. J.
Martinez
,
M.
Centurion
, and
X. J.
Wang
,
Science
361
,
64
(
2018
).
[23]
T. J. A.
Wolf
,
D. M.
Sanchez
,
J.
Yang
,
R. M.
Parrish
,
J. P. F.
Nunes
,
M.
Centurion
,
R.
Coffee
,
J. P.
Cryan
,
M.
Guhr
,
K.
Hegazy
,
A.
Kirrander
,
R. K.
Li
,
J.
Ruddock
,
X.
Shen
,
T.
Vecchione
,
S. P.
Weathersby
,
P. M.
Weber
,
K.
Wilkin
,
H.
Yong
,
Q.
Zheng
,
X. J.
Wang
,
M. P.
Minitti
, and
T. J.
Martinez
,
Nat. Chem.
11
,
504
(
2019
).
[24]
F. F.
Qi
,
Z. R.
Ma
,
L. R.
Zhao
,
Y.
Cheng
,
W. X.
Jiang
,
C.
Lu
,
T.
Jiang
,
D.
Qian
,
Z.
Wang
,
W. T.
Zhang
,
P. F.
Zhu
,
X.
Zou
,
W. S.
Wan
,
D.
Xiang
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
6
(
2020
).
[25]
J. S.
Cao
and
K. R.
Wilson
,
J. Phys. Chem. A.
102
,
9523
(
1998
).
[26]
R.
Srinivasan
,
V. A.
Lobastov
,
C. Y.
Ruan
, and
A. H.
Zewail
,
Helv. Chim. Acta
86
,
1763
(
2003
).
[27]
H.
Ihee
,
J.
Cao
, and
A. H.
Zewail
,
Chem. Phys. Lett.
281
,
10
(
1997
).
[28]
H.
Mark
and
R.
Wierl
,
Naturwissenschaften
18
,
205
(
1930
).
[29]
A. A.
Ischenko
,
V. V.
Golubkov
,
V. P.
Spiridonov
,
A. V.
Zgurskii
,
A. S.
Akhmanov
,
M. G.
Vabischevich
, and
V. N.
Bagratashvili
,
Appl. Phys. B
32
,
161
(
1983
).
[30]
J. D.
Ewbank
,
J. Y.
Luo
,
J. T.
English
,
R.
Liu
, and
L.
Schafer
,
J. Phys. Chem.
24
,
8745
(
1993
).
[31]
J. C.
Williamson
,
J. M.
Cao
,
H.
Ihee
,
H.
Frey
, and
A. H.
Zewail
,
Nature
386
,
159
(
1997
).
[32]
R. C.
Dudek
and
P. M.
Weber
,
J. Phys. Chem. A
105
,
4167
(
2001
).
[33]
D.
Zhong
,
S.
Ahmad
, and
A. H.
Zewail
,
J. Am. Chem. Soc.
119
,
5978
(
1997
).
[34]
K.
Wilkin
,
R.
Parrish
,
J.
Yang
,
T. J. A.
Wolf
,
J. P. F.
Nunes
,
M.
Guhr
,
R. K.
Li
,
X. Z.
Shen
,
Q.
Zheng
,
X. J.
Wang
,
T. J.
Martinez
, and
M.
Centurion
,
Phys. Rev. A
100
,
10
(
2019
).
[35]
J. C.
Williamson
and
A. H.
Zewail
,
Chem. Phys. Lett.
209
,
10
(
1993
).
[36]
B. J.
Siwick
,
J. R.
Dwyer
,
R. E.
Jordan
, and
R. J. D.
Miller
,
J. Appl. Phys.
92
,
1643
(
2002
).
[37]
E.
Fill
,
L.
Veisz
,
A.
Apolonski
, and
F.
Krausz
,
New J. Phys.
8
,
272
(
2006
).
[38]
M.
Aidelsburger
,
F. O.
Kirchner
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
107
,
19714
(
2010
).
[39]
P.
Baum
,
D. S.
Yang
, and
A. H.
Zewail
,
Science
318
,
788
(
2007
).
[40]
C.
Kealhofer
,
W.
Schneider
,
D.
Ehberger
,
A.
Ryabov
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
Science
352
,
429
(
2016
).
[41]
L. R.
Zhao
,
Z.
Wang
,
C.
Lu
,
R.
Wang
,
C.
Hu
,
P.
Wang
,
J.
Qi
,
T.
Jiang
,
S. G.
Liu
,
Z. R.
Ma
,
F. F.
Qi
,
P. F.
Zhu
,
Y.
Cheng
,
Z. W.
Shi
,
Y. C.
Shi
,
W.
Song
,
X. X.
Zhu
,
J. R.
Shi
,
Y. X.
Wang
,
L. X.
Yan
,
L. G.
Zhu
,
D.
Xiang
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. X
8
,
9
(
2018
).
[42]
E. C.
Snively
,
M. A. K.
Othman
,
M.
Kozina
,
B. K.
Ofori-Okai
,
S. P.
Weathersby
,
S.
Park
,
X.
Shen
,
X. J.
Wang
,
M. C.
Hoffmann
,
R. K.
Li
, and
E. A.
Nanni
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
6
(
2020
).
[43]
L. R.
Zhao
,
H.
Tang
,
C.
Lu
,
T.
Jiang
,
P. F.
Zhu
,
L.
Hu
,
W.
Song
,
H. D.
Wang
,
J. Q.
Qiu
,
C. G.
Jing
,
S.
Antipov
,
D.
Xiang
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
6
(
2020
).
[44]
H. W.
Kim
,
N. A.
Vinokurov
,
I. H.
Baek
,
K. Y.
Oang
,
M. H.
Kim
,
Y. C.
Kim
,
K. H.
Jang
,
K.
Lee
,
S. H.
Park
,
S.
Park
,
J.
Shin
,
J.
Kim
,
F.
Rotermund
,
S.
Cho
,
T.
Feurer
, and
Y. U.
Jeong
,
Nat. Photonics
14
,
245
(
2020
).
[45]
L. R.
Zhao
,
Z.
Wang
,
H.
Tang
,
R.
Wang
,
Y.
Cheng
,
C.
Lu
,
T.
Jiang
,
P. F.
Zhu
,
L.
Hu
,
W.
Song
,
H. D.
Wang
,
J. Q.
Qiu
,
R.
Kostin
,
C. G.
Jing
,
S.
Antipov
,
P.
Wang
,
J.
Qi
,
Y.
Cheng
,
D.
Xiang
, and
J.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
6
(
2019
).
[46]
R. K.
Li
,
M. C.
Hoffmann
,
E. A.
Nanni
,
S. H.
Glenzer
, and
X. J.
Wang
,
Phys. Rev. Accel. Beams.
22
,
012803
(
2019
)
[47]
R.
Danielius
,
A.
Piskarskas
,
P.
Di Trapani
,
A.
Andreoni
,
C.
Solcia
, and
P.
Foggi
,
Opt. Lett.
21
,
973
(
1996
).
[48]
M.
Reiser
,
Theory and Design of Charged Particle Beams
,
New York
:
Wiley
,
312
(
1994
).
[49]
X. J.
Wang
and
H.
Ihee
,
Proc. Part. Accel. Conf.
1
,
420
(
2003
).
[50]
S.
Manz
,
A.
Casandruc
,
D. F.
Zhang
,
Y. P.
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.
Flottmann
, and
R. J. D.
Miller
,
Faraday Discuss.
177
,
467
(
2015
).
[51]
J.
Yang
,
X. L.
Zhu
,
J. P. F.
Nunes
,
J. K.
Yu
,
R. M.
Parrish
,
T. J. A.
Wolf
,
M.
Centurion
,
M.
Guhr
,
R. K.
Li
,
Y. S.
Liu
,
B.
Moore
,
M.
Niebuhr
,
S.
Park
,
X. Z.
Shen
,
S.
Weathersby
,
T.
Weinacht
,
T. J.
Martinez
, and
X. J.
Wang
,
Science
368
,
885
(
2020
).
[52]
J. H.
Lee
,
T. K.
Kim
,
J.
Kim
,
Q.
Kong
,
M.
Cammarata
,
M.
Lorenc
,
M.
Wulff
, and
H.
Ihee
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
5834
(
2008
).
[53]
W. G.
Roeterdink
,
A. M.
Rijs
, and
M. H. M.
Janssen
,
J. Am. Chem. Soc.
128
,
576
(
2006
).
[54]
J.
Kim
,
S.
Jun
,
J.
Kim
, and
H.
Ihee
,
J. Phys. Chem. A
113
,
11059
(
2009
).
[55]
J.
Maxson
,
D.
Cesar
,
G.
Calmasini
,
A.
Ody
,
P.
Musumeci
, and
D.
Alesini
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
5
(
2017
).
[56]
S.
Bohman
,
A.
Suda
,
T.
Kanai
,
S.
Yamaguchi
, and
K.
Midorikawa
,
Opt. Lett.
35
,
1887
(
2010
).
[57]
Y. H.
Chen
,
S.
Varma
, and
H. M.
Milchberg
,
J. Opt. Soc. Am. B
25
,
B122
(
2008
).
[58]
I. V.
Litvinyuk
,
K. F.
Lee
,
P. W.
Dooley
,
D. M.
Rayner
,
D. M.
Villeneuve
, and
P. B.
Corkum
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
4
(
2003
).
[59]
J.
Itatani
,
D.
Zeidler
,
J.
Levesque
,
M.
Spanner
,
D. M.
Villeneuve
, and
P. B.
Corkum
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
4
(
2005
).
[60]
B. K.
McFarland
,
J. P.
Farrell
,
P. H.
Bucksbaum
, and
M.
Guhr
,
Science
322
,
1232
(
2008
).
[61]
J. P.
Cryan
,
J. M.
Glownia
,
J.
Andreasson
,
A.
Belkacem
,
N.
Berrah
,
C. I.
Blaga
,
C.
Bostedt
,
J.
Bozek
,
C.
Buth
,
L. F.
DiMauro
,
L.
Fang
,
O.
Gessner
,
M.
Guehr
,
J.
Hajdu
,
M. P.
Hertlein
,
M.
Hoener
,
O.
Kornilov
,
J. P.
Marangos
,
A. M.
March
,
B. K.
McFarland
,
H.
Merdji
,
V. S.
Petrovic
,
C.
Raman
,
D.
Ray
,
D.
Reis
,
F.
Tarantelli
,
M.
Trigo
,
J. L.
White
,
W.
White
,
L.
Young
,
P. H.
Bucksbaum
, and
R. N.
Coffee
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
5
(
2010
).
[62]
Y. W.
Xiong
,
K. J.
Wilkin
, and
M.
Centurion
,
Phys. Rev. Res.
2
,
043064
(
2020
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.