Рис. 1: (а) Уровни энергии, (б) рассчитанная функция возбуждения и угловые распределения (вставки) для фотоионизации гелия в ЭУФ диапазоне: поглощение двух фотонов (синий) и одного фотона удвоенной энергии (красный). Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.183204

Используя новый экспериментальный метод, физики из Института ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге исследовали резонансную двухфотонную ионизацию гелия с улучшенным спектральным и угловым разрешением. Для этого они использовали реакционный микроскоп в сочетании с фотонным спектрометром высокого разрешения в крайнем ультрафиолете (EUV), разработанным в институте.

Измерения проводились на Лазере на свободных электронах в Гамбурге (FLASH), блестящем источнике излучения, производящем интенсивные лазерные вспышки EUV. Это позволяет анализировать события от каждой отдельной лазерной вспышки с точки зрения энергии фотонов, получая наборы данных с высоким спектральным разрешением.

Гелий как наиболее простая и доступная многоэлектронная система идеально подходит для фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований. Здесь существенную роль играет взаимное электрическое отталкивание двух электронов — оно составляет добрую треть полной энергии связи. Особый и фундаментальный интерес представляет взаимодействие с фотонами (квантами света).

Исследователи из группы Кристиана Отта и Роберта Мошаммера в подразделении Томаса Пфайфера в Институте ядерной физики им. Макса Планка в Гейдельберге подробно исследовали резонансную двухфотонную ионизацию гелия на лазере на свободных электронах FLASH в DESY в Гамбурге.

В этом нелинейном процессе оба электрона одновременно поглощают два фотона крайнего ультрафиолета и образуют двойное возбужденное состояние, в котором, например, оба электрона находятся на большой орбите вокруг ядра гелия. Коррелированный парный танец электронов нестабилен, и их взаимное отталкивание приводит к тому, что один покидает атом, а другой возвращается в основное состояние иона гелия — процесс, называемый автоионизацией (см. рис. 1). Это происходит, когда суммарная энергия фотонов как раз соответствует дискретной энергии возбуждения, т. е. когда выполняется так называемое условие резонанса.

Для детального измерения исследователи использовали реакционный микроскоп (REMI), который позволяет кинематически полностью обнаруживать как фотоэлектроны, так и ионы гелия. Однако необходимо было преодолеть фундаментальную трудность: хотя лазер на свободных электронах излучает достаточно интенсивное ультрафиолетовое излучение, энергия фотонов имеет довольно широкий диапазон, и диапазон энергий наибольшей интенсивности также варьируется от одной лазерной вспышки к другой.

Рис. 2. Спектр фотонов без сортировки (вверху) и отсортированных по положению пика (внизу). Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.183204

Однако именно это свойство теперь используется: «Мы использовали спектрометр для измерения распределения энергии фотонов в каждом отдельном снимке, а затем отсортировали их в соответствии с энергией фотонов с наибольшей интенсивностью (положением пика)», — объясняет первый автор Майкл Штрауб. «Таким образом, синхронизируясь с сигналами REMI, мы получаем наборы данных со спектральным высоким разрешением, настраиваемые в цифровом виде по всей полосе пропускания». (рис. 2).

С помощью этого трюка был разрешен резонанс и измерено угловое распределение фотоэлектронов в резонансе. При прямом сравнении с теоретическими расчетами группы Криса Грина (Университет Пердью) было хорошее совпадение, но при ближайшем рассмотрении были и отклонения. Одним из объяснений являются небольшие вклады от нерезонансной ионизации одиночными фотонами с удвоенной энергией (красная кривая на рис. 1), которые составляют около 1% потока фотонов FLASH.

«Эти результаты и недавно разработанная экспериментальная методология открывают многообещающие возможности для изучения фундаментальных взаимодействий нескольких фотонов с несколькими электронами», — говорит руководитель группы Кристиан Отт, подводя итоги работы, опубликованной в Physical Review Letters.