Ensartet tids- og frekvensbillede af ultrahurtig atomisk excitation i stærke felter

Indsigten om, at lys undertiden skal behandles som en elektromagnetisk bølge og nogle gange som en strøm af energikvanta kaldet fotoner, er lige så gammel som kvantefysik. I tilfælde af interaktion mellem stærke laserfelter og atomer finder dualismen sin analog i de intuitive billeder, der bruges til at forklare ionisering og excitation:Multiphotonbilledet og tunnelingbilledet. I en kombineret eksperimentel og teoretisk undersøgelse af ultrahurtig excitation af atomer i intense kortpuls laserfelter lykkedes det forskere fra Max Born Institute at vise, at de fremherskende og tilsyneladende forskellige intuitive billeder, der normalt bruges til at beskrive interaktion mellem atomer og intense laserfelter, kan tilskrives en enkelt ikke -lineær proces. I øvrigt, de viser, hvordan de to billeder kan forenes. Værket optrådte i journalen Fysisk gennemgangsbreve og er blevet valgt til at være et redaktionsforslag på grund af dets særlige betydning, innovation og bred appel. Udover de grundlæggende aspekter åbner arbejdet nye veje til at bestemme laserintensiteter med høj præcision og til at kontrollere den sammenhængende Rydberg -befolkning ved hjælp af laserintensiteten.

Selvom parameteren Keldysh, introduceret i 1960'erne af den samme russiske fysiker, klart adskiller multiphoton -billedet og tunneling -billedet, det har været et åbent spørgsmål, især inden for stærk felt excitation, hvordan man kan forene de to tilsyneladende modsatrettede tilgange.

I multiphotonbilledet skinner fotontegnet igennem som resonansforøgelse i excitationsudbyttet, når et helt tal af fotononenergien matcher excitationsenergien i atomtilstande. Imidlertid, atomtilstandernes energi forskydes opad med stigende laserintensitet. Dette resulterer i resonanslignende forbedringer i excitationsudbyttet, selv ved fast laserfrekvens (foton energi). Faktisk, forbedringen sker periodisk, når energiskiftet svarer til en ekstra fotonergi (kanallukning).

I tunnelbilledet betragtes laserfeltet som en elektromagnetisk bølge, hvor kun det oscillerende elektriske felt bevares. Spænding kan ses som en proces, hvor den bundne elektron i første omgang frigøres ved en tunnelproces, når laserfeltet når et cyklusmaksimum. I mange tilfælde får elektronen ikke tilstrækkelig driftsenergi fra laserfeltet til at undslippe Coulomb -potentialet for moderionen ved slutningen af ​​laserpulsen, hvilket ville føre til ionisering af atomet. I stedet, den forbliver bundet i en ophidset Rydberg -tilstand. I tunnelbilledet er der ikke plads til resonanser i excitationen, da tunneling foregår i et kvasi-statisk elektrisk felt, hvor laserfrekvensen er irrelevant.

I undersøgelsen er excitationsudbyttet af Ar- og Ne -atomer som en funktion af laserintensiteten blevet målt direkte for første gang, dækker både multiphoton- og tunnelingregimer. I multiphoton -regimet er der observeret markante resonansforøgelser i udbyttet, især i nærheden af ​​kanallukningerne, mens der ikke forekom sådanne resonanser i tunnelregimet. Imidlertid, her er excitation blevet observeret selv i et intensitetsregime, der ligger over tærsklen for forventet fuldstændig ionisering.

Den numeriske løsning af den tidsafhængige Schrödinger -ligning for de undersøgte atomer i et stærkt laserfelt gav en fremragende overensstemmelse mellem teorien og de eksperimentelle data i begge regimer. En mere detaljeret analyse afslørede, at begge billeder repræsenterer en komplementær beskrivelse i tids- og frekvensdomænet for den samme ikke -lineære proces. Hvis man overvejer excitation i tidsdomænet, kan man antage, at elektronbølgepakker oprettes periodisk ved feltcyklusmaxima. I multiphoton -regimet kan det påvises, at bølgepakkerne overvejende skabes tæt på maksimal intensitet af pulsen og dermed kun interfererer konstruktivt, hvis intensiteten er tæt på en kanals lukning. Med dette, regelmæssig forbedring af excitationsspektret resulterer kun effektivt ved fotonens energiseparation. I tunnelregimet oprettes bølgepakkerne også periodisk ved feltcyklusmaxima, imidlertid, overvejende ved den stigende kant af laserpulsen, som, på tur, fører til et uregelmæssigt interferensmønster og følgelig til uregelmæssige variationer i excitationsspektret. Disse hurtige variationer løses ikke i forsøget, og det detekterede excitationsspektrum er glat.