Die Bewegung eines Elektrons in einem starken Infrarot-Laserfeld wird in Echtzeit mithilfe einer neuartigen Methode verfolgt, die von MPIK-Physikern entwickelt und von kooperierenden Forschern am MPI-PKS zur Bestätigung der Quantendynamiktheorie angewendet wird. Der experimentelle Ansatz verknüpft das Absorptionsspektrum des ionisierenden Extrem-Ultraviolett-Pulses mit der Bewegung freier Elektronen, die durch den nachfolgenden Nahinfrarot-Puls angetrieben wird. Ihre Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Für dieses Versuchsschema ist die klassische Beschreibung der Elektronenbewegung gerechtfertigt, obwohl es sich um ein Quantenobjekt handelt. Die hier für Helium demonstrierte neue Methode lässt sich zukünftig auf komplexere Systeme wie größere Atome oder Moleküle für einen breiten Intensitätsbereich anwenden.
Die Erzeugung hoher Harmonischer, nämlich die Umwandlung von optischem oder nahinfrarotem (NIR) Licht in den Bereich des extremen Ultravioletts (XUV), ist grundlegend für die Starkfeldphysik, da es sich um einen extrem nichtlinearen Prozess handelt. In dem berühmten Drei-Stufen-Modell ionisiert das treibende Lichtfeld (1) das Elektron durch Tunnelionisation, (2) beschleunigt es weg und zurück zum Ionenkern, wo das Elektron (3) erneut kollidiert und XUV-Licht emittiert, wenn es rekombiniert .
In einem neuen experimentellen Ansatz am Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg ersetzten Physiker aus der Abteilung von Thomas Pfeifer den ersten Schritt durch eine XUV-Einzelphotonen-Ionisation, die einen doppelten Vorteil hat. Erstens kann man den Zeitpunkt der Ionisation relativ zur NIR-Phase wählen. Tunnelionisation würde nur im Feldmaximum stattfinden. Der extrem kurze XUV-Puls ist nur Hunderte von Attosekunden lang und sorgt für einen kontrollierbaren und wohldefinierten Start der Uhr. Zweitens kann der NIR-Laser auf niedrige Intensitäten abgestimmt werden, bei denen eine Tunnelionisation praktisch nicht mehr möglich ist. Dies ermöglicht die Untersuchung starkfeldgetriebener Elektronen-Rekollision in einem Grenzfall niedriger Intensität.
Die hier verwendete Technik ist die transiente Attosekunden-Absorptionsspektroskopie (Abb. 1) zusammen mit der Rekonstruktion des zeitabhängigen Dipolmoments, die zuvor in der Gruppe um Christian Ott für gebundene Elektronen entwickelt wurde. Hier wird diese Technik auf freie Elektronen ausgedehnt und verbindet das zeitabhängige Dipolmoment mit der klassischen Bewegung (Trajektorien) der ionisierten Elektronen.
„Unsere neue Methode, angewandt auf Helium als Modellsystem, verbindet das Absorptionsspektrum des ionisierenden Lichts mit den Elektronenbahnen“, erklärt Ph.D. Schüler Tobias Heldt. „Dies ermöglicht es uns, die ultraschnelle Dynamik mit einer einzigen spektroskopischen Messung zu untersuchen, ohne eine Zeitverzögerung scannen zu müssen, um die Dynamik Bild für Bild zusammenzusetzen.“
Die Messungen zeigen, dass bei einigen experimentellen Parametern die Wahrscheinlichkeit, das Elektron zurück zum Ion zu treiben, höher sein kann, wenn die Lichtwelle nicht linear, sondern zirkular polarisiert ist. Dies ist ein kontraintuitiver Befund, der jedoch von Theoretikern vorhergesagt wurde. Klassische Simulationen, die von Jonathan Dubois und Gabriel M. Lando am MPI-PKS in Dresden durchgeführt wurden, rechtfertigen diese Interpretation, dh die Wiederkollision periodischer Bahnen. Abb. 2 zeigt eine klassische Trajektorie (grün) gegenüber den Änderungen in der Quantenwahrscheinlichkeitsverteilung der Elektronenwellenpakete (Hintergrund), die nach der Ionisation durch den XUV-Puls (violett) aus dem Atom austreten und durch das NIR-Feld (rot) angetrieben werden.
Jede (Wieder-)Kollision des Elektrons mit dem Heliumatom (grüne Linie schneidet die weiße Mittellinie) führt zu einer charakteristischen Veränderung und Erhöhung des zeitabhängigen atomaren Dipols (Ergebnis der schnellen Rot-Blau-Oszillation nahe der Mittellinie). ), die durch ein Attosekunden-Absorptionsspektroskopie-Experiment aufgenommen werden kann.
Gruppenleiter Christian Ott sieht das Zukunftspotenzial dieses neuen Ansatzes optimistisch. „Im Allgemeinen ermöglicht unsere Technik die Erforschung der lasergetriebenen Elektronenbewegung in einem neuen Regime geringerer Intensität und sie könnte weiter auf verschiedene Systeme angewendet werden, z. B. zur Untersuchung der lasergetriebenen Elektronendynamik in größeren Atomen oder Molekülen.“
Mehr Informationen:
Tobias Heldt et al, Attosekunden-Echtzeitbeobachtung rekollidierender Elektronenbahnen in Helium bei niedrigen Laserintensitäten, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.183201
V. Stooß et al, Real-Time Reconstruction of the Strong-Field-Driven Dipole Response, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.173005
Bereitgestellt vom Max-Planck-Institut für Kernphysik