Nonlinear optics plays a central role in the advancement of optical science and laser-based technologies. We report on the confinement of the nonlinear interaction of light with matter to a single wave cycle and demonstrate its utility for time-resolved and strong-field science. The electric field of 3.3-femtosecond, 0.72-micron laser pulses with a controlled and measured waveform ionizes atoms near the crests of the central wave cycle, with ionization being virtually switched off outside this interval. Isolated sub-100-attosecond pulses of extreme ultraviolet light (photon energy approximately 80 electron volts), containing approximately 0.5 nanojoule of energy, emerge from the interaction with a conversion efficiency of approximately 10(-6). These tools enable the study of the precision control of electron motion with light fields and electron-electron interactions with a resolution approaching the atomic unit of time ( approximately 24 attoseconds).

The characteristic time constants of the relaxation dynamics of core-excited atoms have hitherto been inferred from the linewidths of electronic transitions measured by continuous-wave extreme ultraviolet or X-ray spectroscopy. Here we demonstrate that a laser-based sampling system, consisting of a few-femtosecond visible light pulse and a synchronized sub-femtosecond soft X-ray pulse, allows us to trace these dynamics directly in the time domain with attosecond resolution. We have measured a lifetime of 7.9(-0.9)(+1.0) fs of M-shell vacancies of krypton in such a pump-probe experiment.

Electrons move in solids at very high speed — traversing atomic layers and interfaces within tens to hundreds of attoseconds (an attosecond is a billionth of a billionth of a second). These astonishingly brief travel times will ultimately limit the speed of the electronics of the future. Physicists have now experimentally probed such electron dynamics in real time. The cover illustrates the first attosecond spectroscopic measurement in a solid, revealing a 110-attosecond difference in the travel time of two different types of electrons following photoexcitation in a tungsten crystal. The ability to time electrons moving in solids over merely a few interatomic distances makes it possible to probe the solid-state electronic processes occurring at the ultimate speed limit and thus helps to advance technologies such as computation, data storage and photovoltaics, which all rely on exquisite control of electron transport in ever smaller structures of solid matter. When exposing a tungsten crystal to intense light, the travel times of emitted electrons differ by 110 attoseconds, depending on whether they were originally tightly bound to one atom in the crystal or delocalized over many atoms. This ability to directly probe fundamental aspects of solid-state electron dynamics could aid the further development of modern technologies such as electronics, information processing and photovoltaics. Comprehensive knowledge of the dynamic behaviour of electrons in condensed-matter systems is pertinent to the development of many modern technologies, such as semiconductor and molecular electronics, optoelectronics, information processing and photovoltaics. Yet it remains challenging to probe electronic processes, many of which take place in the attosecond (1 as = 10-18 s) regime. In contrast, atomic motion occurs on the femtosecond (1 fs = 10-15 s) timescale and has been mapped in solids in real time1,2 using femtosecond X-ray sources3. Here we extend the attosecond techniques4,5 previously used to study isolated atoms in the gas phase to observe electron motion in condensed-matter systems and on surfaces in real time. We demonstrate our ability to obtain direct time-domain access to charge dynamics with attosecond resolution by probing photoelectron emission from single-crystal tungsten. Our data reveal a delay of approximately 100 attoseconds between the emission of photoelectrons that originate from localized core states of the metal, and those that are freed from delocalized conduction-band states. These results illustrate that attosecond metrology constitutes a powerful tool for exploring not only gas-phase systems, but also fundamental electronic processes occurring on the attosecond timescale in condensed-matter systems and on surfaces.

Defining Time-Zero When a high-energy photon hits an atom and is absorbed, the result can be the excitation and emission of an electron. This photoemission, or photoelectric effect, is generally assumed to occur instantaneously, and represents the definition of “time-zero” in clocking such ultrafast events. Schultze et al. (p. 1658 , see the cover; see the Perspective by van der Hart ) use ultrafast spectroscopy, with light pulses on the time scale of several tens of attoseconds, to test this assumption directly. They excite neon atoms with 100 eV photons and find that there is a small (20-attosecond) time delay between the emission of electrons from the 2 s and 2 p orbitals of the atoms. These results should have implications in modeling electron dynamics occurring on ultrafast time scales.

The electromagnetic field of visible light performs approximately 10(15) oscillations per second. Although many instruments are sensitive to the amplitude and frequency (or wavelength) of these oscillations, they cannot access the light field itself. We directly observed how the field built up and disappeared in a short, few-cycle pulse of visible laser light by probing the variation of the field strength with a 250-attosecond electron burst. Our apparatus allows complete characterization of few-cycle waves of visible, ultraviolet, and/or infrared light, thereby providing the possibility for controlled and reproducible synthesis of ultrabroadband light waveforms.

Electrons emit light, carry electric current, and bind atoms together to form molecules. Insight into and control of their atomic-scale motion are the key to understanding the functioning of biological systems, developing efficient sources of x-ray light, and speeding up electronics. Capturing and steering this electron motion require attosecond resolution and control, respectively (1 attosecond = 10 –18 seconds). A recent revolution in technology has afforded these capabilities: Controlled light waves can steer electrons inside and around atoms, marking the birth of lightwave electronics. Isolated attosecond pulses, well reproduced and fully characterized, demonstrate the power of the new technology. Controlled few-cycle light waves and synchronized attosecond pulses constitute its key tools. We review the current state of lightwave electronics and highlight some future directions.