Rein optischer Attoclock zur Abbildung von Tunnelwellenpaketen

Physiker können die möglichen Zeitverzögerungen des lichtinduzierten Tunnelns eines Elektrons von einem Atom untersuchen, nachdem sie Messungen von Zeitverzögerungen durchgeführt haben, wenn kalte Atome durch eine optisch erzeugte Potentialbarriere tunneln. In einem neuen Bericht, der jetzt in veröffentlicht wurde NaturphysikIhar Babushkin und ein Forschungsteam in Deutschland, ergänzten die Photoelektronendetektion beim laserinduzierten Tunneln durch Messen des Lichts, das vom Tunnelelektron emittiert wird, bekannt als Brunel-Strahlung. Basierend auf kombinierten ein- und zweifarbigen Treiberfeldern identifizierten sie rein optische Signaturen der Umformung von Tunnelwellenpaketen, wenn sie aus der Tunnelbarriere herauskamen und sich vom Kern entfernten. Diese Umformung führte zu einer für die experimentelle Beobachtung effektiven Zeitverzögerungs- und Zeitumkehrsymmetrie des theoretisch beschriebenen Ionisationsprozesses. Das rein optische Detektionsverfahren kann zeitaufgelöste Messungen des optischen Tunnelns in kondensierten Materiesystemen auf der Zeitskala von Attosekunden ermöglichen.

Attosekunden-Wissenschaft

Die Attosekundenwissenschaft ist eine revolutionäre Technologie, die kombiniert Optik- und Kollisionswissenschaft um die Reichweite von jedem erheblich zu erweitern. Die Möglichkeit, ein Elektron durch die Potentialbarriere zu tunneln, die durch ein oszillierendes elektrisches Feld und das Bindungspotential des Kerns erzeugt wird, ist eine grundlegende Ressource in Attosekunden Wissenschaft. Das Phänomen ist das Herzstück der Erzeugung hoher Harmonischer und Spektroskopie hoher Harmonischer. Die Erzeugung hoher Harmonischer ist mit strahlender Rekombination verbunden, die auf der Rückkehr des lasergesteuerten Elektrons zum Elternion basiert. Aber selbst wenn das Elektron nicht zum Kern zurückkehrt, emittiert der Aufbau hohe harmonische Strahlung, die als Brunel-Strahlung oder Brunel-Harmonische bezeichnet wird. Der Prozess ist mit Stromstößen verbunden, die durch laserinduziertes Tunneln ausgelöst werden und allgegenwärtig sind Atome, Moleküle und Festkörper. In dieser Arbeit haben Babushkin et al. zeigten, wie Brunel-Harmonische, die in elliptisch polarisierten ein- und zweifarbigen Laserfeldern erzeugt wurden, ein detailliertes Bild des lichtinduzierten Tunnelns eines Elektrons lieferten. Der beschriebene Ansatz zur Abbildung der Ionisationsdynamik unterschied sich deutlich von bestehenden Attoclock-Ansätzen, die auf Photoelektronendetektion basieren. Die Methode ermöglichte die Einführung eines ergänzenden, vollständig optischen Messprotokolls, um erweiterte Messungen der Tunneldynamik in Schüttgütern zu etablieren.

Physikalisches Prinzip und theoretische Analyse

Die Wissenschaftler validierten die zentrale Idee hinter der vollständig optischen attoclock, indem sie die vektoriellen Eigenschaften des emittierten Lichts bestimmten, die durch die vektoriellen Eigenschaften des Stroms bestimmt wurden, der vom Tunnelelektron erzeugt wird, um die Tunneldynamik widerzuspiegeln. Das Team zog zwei Feldanordnungen in Betracht, in der ersten kombinierten sie eine intensive zirkular polarisierte Infrarotpumpe mit ihrer mitrotierenden zweiten Harmonischen, um ein elektrisches Gesamtfeld mit einer Referenzrichtung für die optische Attoclock zu erzeugen. Bei der zweiten Anordnung wurde die Bezugsrichtung durch die Hauptachse des einfarbigen elliptisch polarisierten Treiberfeldes bereitgestellt. Das Team begann mit der ersten Anordnung, bei der die nichtlineare Antwort gerade und ungerade Harmonische enthielt; mit einem von Brunel-Strahlung dominierten Signal. Beispielsweise injizierte das Team ein klassisches freies Elektron durch Starkfeldionisation mit einer gewissen Geschwindigkeit in das atomare Kontinuum, um es im Laserfeld und Potential des Kerns zu beschleunigen. Babuschkin et al. überprüft die Ergebnisse mit der Ab-initio-zeitabhängige Schrödinger-Gleichung (TDSE) Simulationen zur Berechnung des abgestrahlten Feldes.

Bildgebende Ionisationsdynamik und Ausblick

Während der Experimente bestätigte das Team die vorhergesagte Rotation der Polarisationsellipse der nichtlinearen Antwort durch experimentelle Messungen mit dem Aufbau. Babuschkin et al. bewerkstelligten dies mit einem 800 nm, 43 Femtosekunden langen, elliptisch polarisierten Pumppuls, der in einen Plasmapunkt für fokussiert wurde dritte harmonische Generation um Polarisationskomponenten sorgfältig zu trennen und zu erkennen. Die Wissenschaftler verglichen die experimentell gemessenen intensitätsabhängigen Parameter der Polarisationsellipse mit TDSE-Simulationsergebnissen (zeitabhängige Schrödinger-Gleichung), um eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation zu zeigen.

Auf diese Weise stellten Ihar Babushkin und Kollegen eine feste quantitative Verbindung zwischen Photoelektronenspektren bei der Starkfeldionisation her. Sie maßen Brunel-Strahlung, die von Elektronen auf ihrem Weg zum Kontinuum erzeugt wurde, um die Umformung von Elektronenwellenpaketen während des laserinduzierten Tunnelns aufzudecken. Basierend auf Brunel-Harmonischen-Imaging formte das Team die Kartierung auf effektive Ionisationsverzögerungen um, wobei Brunel-Harmonische in den Terahertz- und Ultraviolettregionen Signaturen der Elektronendynamik im Attosekunden- und Sub-Angström-Bereich enthielten. Die Forscher schrieben den Ursprung der Ionisationsasymmetrie der Dynamik des Elektronenwellenpakets während und nach dem Tunneln für hohe Intensitäten oder Sättigungseffekte zu. Die Studie bietet vielversprechende Möglichkeiten zur Abbildung des Tunnelns und zur Erforschung der Wellenpaketumformung im Attosekundenbereich in Systemen, in denen eine Photoelektronenerkennung nicht ohne weiteres verfügbar war. Solche Systeme umfassen Schüttgüter, wo die Detektion von Licht im Vergleich zur Detektion von Elektronen viel einfacher ist. Babuschkin et al. erwarten, dass die Brunel-Harmonischen noch höherer Ordnung die Auflösung der Elektronendynamik noch näher am Kern ermöglichen. Das Ergebnis wird Auswirkungen über die Physik hinaus haben, um Chemie, Biologie und zukünftige Technologien zu beeinflussen.

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