Рис. 1: Фотография газовой ячейки для генерации высших гармоник сверхкоротковолновых ультрафиолетовых аттосекундных импульсов.
Авторы и права: Макс Хартманн, MPI für Kernphysik.

Для этой экспериментальной схемы оправдано классическое описание движения электрона, хотя это и квантовый объект. В будущем новый метод, продемонстрированный здесь для гелия, может быть применен к более сложным системам, таким как более крупные атомы или молекулы, для широкого диапазона интенсивностей.

Генерация высоких гармоник, а именно преобразование оптического или ближнего инфракрасного (БИК) света в экстремальный ультрафиолетовый (XUV) режим, имеет фундаментальное значение для физики сильного поля, поскольку это чрезвычайно нелинейный процесс. В знаменитой трехступенчатой ​​модели поле движущегося света (1) ионизирует электрон за счет туннельной ионизации, (2) ускоряет его и возвращает обратно к ионному ядру, где электрон (3) повторно сталкивается и излучает XUV-свет, если рекомбинирует.

В новом экспериментальном подходе в Институте ядерной физики им. Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге физики из подразделения Томаса Пфайфера заменили первый этап однофотонной ионизацией XUV, которая имеет двойное преимущество. Во-первых, можно выбрать время ионизации относительно БИК-фазы. Туннельная ионизация происходила бы только в максимуме поля. Чрезвычайно короткий импульс XUV длиной всего в сотни аттосекунд обеспечивает контролируемый и четко определенный запуск часов. Во-вторых, NIR-лазер можно настроить на низкие интенсивности, при которых туннельная ионизация практически невозможна. Это позволяет изучать повторное столкновение электронов, вызванное сильным полем, в предельном случае низкой интенсивности.

Используемый здесь метод представляет собой аттосекундную спектроскопию нестационарного поглощения (рис. 1) вместе с реконструкцией зависящего от времени дипольного момента, которая была разработана ранее в группе Кристиана Отта для связанных электронов. Здесь этот метод распространяется на свободные электроны и связывает зависящий от времени дипольный момент с классическим движением (траекториями) ионизированных электронов.

«Наш новый метод, примененный к гелию как к модельной системе, связывает спектр поглощения ионизирующего света с траекториями электронов», — объясняет доктор философии. студент Тобиас Хельдт. «Это позволяет нам изучать сверхбыструю динамику с помощью одного спектроскопического измерения без необходимости сканирования временной задержки для построения динамики кадр за кадром».

Рис. 2: Иллюстрация классической траектории (зеленый) с многократными повторными столкновениями и изменениями квантовых волновых пакетов (красный/синий фон) для NIR (красного) лазерного электрона, выходящего из XUV (фиолетового) ионизации гелия.
Предоставлено: MPI für Kernphysik.

Измерения показывают, что при некоторых экспериментальных параметрах вероятность возвращения электрона к иону может быть выше, если световая волна имеет не линейную, а круговую поляризацию. Это контринтуитивное открытие, которое, однако, было предсказано теоретиками. Классическое моделирование, выполненное Джонатаном Дюбуа и Габриэлем М. Ландо в MPI-PKS в Дрездене, оправдывает эту интерпретацию, т.е. повторное столкновение периодических орбит. На рис. 2 показана классическая траектория (зеленый цвет) в зависимости от изменений в распределении квантовых вероятностей электронных волновых пакетов (фон), выходящих из атома после ионизации импульсом XUV (фиолетовый) и возбуждаемых полем NIR (красный).

Каждый раз, когда электрон (повторно) сталкивается с атомом гелия (зеленая линия пересекает белую центральную линию), это приводит к характерной модификации и увеличению зависящего от времени атомного диполя (результат быстрых красно-синих колебаний вблизи центральной линии). ), который можно обнаружить в эксперименте по аттосекундной абсорбционной спектроскопии.

Руководитель группы Кристиан Отт с оптимизмом смотрит на будущий потенциал этого нового подхода. «В целом, наша методика позволяет исследовать управляемое лазером движение электронов в новом режиме с более низкой интенсивностью, и в дальнейшем ее можно применять в различных системах, например, для изучения динамики электронов, управляемых лазером, внутри более крупных атомов или молекул».