電子再

2023 年 5 月 8 日

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マックス・プランク核物理研究所著

強力な赤外線レーザー場における電子の動きは、MPIK の物理学者によって開発された新しい方法によってリアルタイムで追跡され、MPI-PKS の協力研究者によって量子力学理論の確認に適用されました。 実験的アプローチでは、イオン化極紫外線パルスの吸収スペクトルを、後続の近赤外線パルスによって駆動される自由電子の運動に関連付けます。 彼らの論文はジャーナル「Physical Review Letters」に掲載されています。

この実験スキームでは、たとえそれが量子物体であっても、電子の運動の古典的記述は正当化されます。 将来的には、ヘリウムに関してここで実証された新しい方法は、より大きな原子や分子などのより複雑な系に広範囲の強度で適用できる可能性があります。

高調波の発生、つまり光学または近赤外 (NIR) 光の極紫外 (XUV) 領域への変換は、非常に非線形なプロセスであるため、強磁場物理学の基礎となります。 有名な 3 ステップ モデルでは、ドライビング ライト フィールド (1) トンネル イオン化によって電子をイオン化し、(2) 電子を加速してイオン コアに戻します。そこで電子は (3) 再衝突し、再結合すると XUV 光を放射します。 。

ハイデルベルクのマックス・プランク核物理研究所 (MPIK) の新しい実験アプローチでは、トーマス・ファイファー部門の物理学者が最初のステップを XUV 単一光子イオン化に置き換えました。これには 2 つの利点があります。 まず、NIR フェーズに対するイオン化の時間を選択できます。 トンネルイオン化は最大電界でのみ発生します。 非常に短い XUV パルスの長さはわずか数百アト秒であり、制御可能で明確に定義されたクロックの開始を提供します。 第二に、NIR レーザーは、トンネルイオン化が事実上不可能になる低強度に調整できます。 これにより、低強度限界の場合における強磁場駆動の電子の再衝突の研究が可能になります。

ここで使用される技術は、アト秒過渡吸収分光法 (図 1) と、時間依存性双極子モーメントの再構成を組み合わせたものです。これは、束縛電子に関してクリスチャン・オット氏らのグループで以前に開発されました。 ここでは、この手法を自由電子に拡張し、時間依存の双極子モーメントをイオン化電子の古典的な運動 (軌道) と結び付けます。

「モデル系としてヘリウムに適用された私たちの新しい方法は、電離光の吸収スペクトルを電子の軌道に結び付けます」と博士は説明します。 学生のトビアス・ヘルトさん。 「これにより、時間遅延をスキャンしてフレームごとにダイナミクスを構成する必要がなく、単一の分光測定で超高速ダイナミクスを研究できるようになります。」

測定結果は、一部の実験パラメータでは、光波が直線偏光ではなく円偏光である場合、電子をイオンに戻す確率が高くなる可能性があることを示しています。 しかし、これは直観に反する発見であり、理論家によって予測されていました。 ドレスデンの MPI-PKS で Jonathan Dubois と Gabriel M. Lando によって実行された古典的なシミュレーションは、この解釈、つまり周期的軌道の再衝突を正当化します。 図2は、古典的な軌道（緑）と、XUVパルス（紫）によるイオン化とNIR場（赤）による駆動の後に原子から現れる電子波束（バックグラウンド）の量子確率分布の変化を示しています。

電子がヘリウム原子と（再）衝突するたびに（緑の線が白い中心線と交差する）、特徴的な変化が起こり、時間依存の原子双極子が増加します（中心線近くの素早い赤青振動の結果） )、これはアト秒吸収分光実験で検出できます。

グループリーダーのクリスチャン・オットは、この新しいアプローチの将来性について楽観的です。 「一般に、私たちの技術は、新しい低強度領域でのレーザー駆動の電子の運動を調査することを可能にし、さらに、例えばより大きな原子や分子内のレーザー駆動の電子のダイナミクスを研究するためなど、さまざまなシステムに応用できる可能性があります。」

詳しくは： Tobias Heldt et al、低レーザー強度でのヘリウム内の再衝突電子軌道のアト秒リアルタイム観察、Physical Review Letters (2023)。 DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.183201

V. Stooß et al、Real-Time Reconstruction of the Strong-Field-Driven Dipole Response、Physical Review Letters (2018)。 DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.173005

雑誌情報:物理的なレビューレター

マックス・プランク核物理研究所提供