Afkodning af elektrondynamik

Elektronbevægelse i atomer og molekyler er af fundamental betydning for mange fysiske, biologiske og kemiske processer. Udforskning af elektrondynamik inden for atomer og molekyler er afgørende for at forstå og manipulere disse fænomener. Pumpe-probe spektroskopi er den konventionelle teknik. 1999 Nobelprisen i kemi giver et velkendt eksempel, hvor femtosekund pumpede laserimpulser tjente til at undersøge den atomare bevægelse involveret i kemiske reaktioner. Imidlertid, fordi tidsskalaen for elektronbevægelse i atomer og molekyler er i størrelsesordenen attosekunder (10 ^-18 sekunder) i stedet for femtosekunder (10 ^-15 sekunder), attosekundsimpulser er nødvendige for at sondere elektronens bevægelse. Med udviklingen af ​​attosecond-teknologien, lasere med pulsvarigheder kortere end 100 attosekunder er blevet tilgængelige, give muligheder for at sondere og manipulere elektrondynamik i atomer og molekyler.

En anden vigtig metode til sondering af elektrondynamik er baseret på stærkfelt-tunnelionisering. I denne metode, en stærk femtosekundlaser bruges til at inducere tunnelionisering, et kvantemekanisk fænomen, der får elektroner til at tunnelere gennem potentialbarrieren og undslippe fra atomet eller molekylet. Denne proces giver fotoelektronkodet information om ultrahurtig elektrondynamik. Baseret på forholdet mellem ioniseringstiden og det endelige momentum af den tunnelerende ioniserede fotoelektron, elektrondynamik kan observeres med opløsning i attosekundskala.

Forholdet mellem ioniseringstid og det endelige momentum af den tunnelerende fotoelektron er teoretisk blevet etableret i form af en "kvantekredsløbsmodel", og nøjagtigheden af ​​forholdet er blevet verificeret eksperimentelt. Men hvilke kvantebaner der bidrager til fotoelektronudbyttet ved ionisering af stærkfelttunneler er forblevet et mysterium, samt hvordan forskellige baner svarer forskelligt til momentum og ioniseringstider. Så, identifikation af kvantebanerne er afgørende for studiet af ultrahurtige dynamiske processer ved hjælp af tunnelionisering.

Som rapporteret i Avanceret fotonik , forskere ved Huazhong Universitet for Videnskab og Teknologi (HUST) foreslog en ordning til at identificere og veje kvantebanerne i stærkfelt-tunnelionisering. I deres ordning, en anden harmonisk (SH) frekvens indføres for at forstyrre tunnelioniseringsprocessen. Forstyrrelsen SH er meget svagere end det fundamentale felt, så det ændrer ikke det endelige momentum af elektronen, der tunnelerer mod ionisering. Imidlertid, det kan væsentligt ændre fotoelektronudbyttet, på grund af den meget ikke-lineære karakter af tunnelionisering. På grund af forskellige ioniseringstider, forskellige kvanteorbitaler har forskellige reaktioner på det mellemliggende SH-felt. Ved at ændre SH-feltets fase i forhold til det fundamentale drivfelt og overvåge responserne af fotoelektronudbyttet, kvantebanerne for tunnelerende ioniserede elektroner kan identificeres nøjagtigt. Baseret på denne ordning, mysterierne med de såkaldte "lange" og "korte" kvantebaner i stærkfelttunnelionisering kan løses, og deres relative bidrag til fotoelektronudbyttet ved hvert momentum er i stand til at vægtes nøjagtigt. Dette er en meget vigtig udvikling for anvendelsen af ​​stærkfelt tunnelionisering som en metode til fotoelektronspektroskopi.

En samarbejdende teamindsats ledet af HUST-kandidatstuderende Jia Tan, under tilsyn af professor Yueming Zhou, sammen med Shengliang Xu og Xu Han, under tilsyn af professor Qingbin Zhang, undersøgelsen indikerer, at hologrammet genereret af multi-orbit bidraget fra det fotoelektroniske spektrum kan give værdifuld information om fasen af ​​den tunnelerede elektron. Dens bølgepakke koder rig information om atom- og molekylær elektrondynamik. Ifølge Peixiang Lu, HUST professor, vicedirektør for Wuhan National Laboratory for Optolectronics, og seniorforfatter af undersøgelsen, "Attosekund tidsmæssig og subangstrøm rumlig opløsningsmåling af elektrondynamik er muliggjort af denne nye ordning til opløsning og vejning af kvantebaner."