08.05.2023 • Atome und MoleküleLaser

Elektronen-Rekollision in Echtzeit auf einen Schlag verfolgt

Ultraschnelle Dynamik mit einer einzigen spektroskopischen Messung untersucht.

Eine neue, am MPI für Kernphysik entwickelte Methode erlaubt es, die Bewegung eines Elektrons in einem starken Infrarot-Laserfeld in Echtzeit zu verfolgen, und wurde am MPI für Physik komplexer Systeme in Kooperation zur Bestätigung theoretischer Quantendynamik angewandt. Der Ansatz verknüpft das Absorptions­spektrum des ionisierenden Extrem-Ultraviolett-Lasers mit der durch den nach­folgenden Nahinfrarot-Puls angetrieben Bewegung der freien Elektronen. Die Elektronen­bewegung lässt sich hier klassisch beschreiben, obwohl es sich um ein Quantenobjekt handelt. In Zukunft kann die am Beispiel von Helium gezeigte Methode auf komplexere Systeme wie größere Atome oder Moleküle für einen breiten Intensitäts­bereich erweitert werden.

Abb.: Foto der Gaszelle zur Erzeu­gung hoher Harmo­nischer: extrem...
Abb.: Foto der Gaszelle zur Erzeu­gung hoher Harmo­nischer: extrem kurz­welliger ultra­violetter Atto­sekunden­pulse. (Bild: M. Hart­mann, MPI für Kern­physik)

Die Erzeugung hoher Harmonischer, also die Umwandlung von optischem oder Nah-Infrarot-Licht in den extrem ultravioletten Bereich, ist für die Physik starker Felder von grund­legender Bedeutung, da es sich um einen extrem nicht­linearen Prozess handelt. In dem bekannten Drei-Stufen-Modell ionisiert das antreibende Lichtfeld das Elektron durch Tunnel­ioni­sation, beschleunigt es weg und wieder zurück zum Ionenrumpf, mit welchem es zusammen­stößt und XUV-Licht aussendet, wenn es rekombiniert.

In ihrem neuen experi­men­tellen Ansatz haben die Forscher den ersten Schritt durch eine Ionisation durch einzelne XUV-Photonen ersetzt, was einen zweifachen Vorteil hat: Erstens kann man den Zeitpunkt der Ionisation relativ zur Phase des NIR-Pulses frei wählen, wohingegen Tunnel­ionisation nur im Feldmaximum stattfindet. Der extrem kurze XUV-Puls ist nur einige Hundert von Attosekunden kurz und ermöglicht so einen kontrollier­baren und gut definierten Start­zeitpunkt. Zweitens kann der NIR-Laser auf niedrige Intensitäten herunter­geregelt werden, bei denen eine Tunnel­ionisation praktisch nicht mehr möglich ist. Dies ermöglicht die Untersuchung der vom Laserfeld getriebenen Elektronen­rekollision im Grenzfall niedriger Intensität.

Die verwendete Technik nutzt Attosekunden-Absorptions­spektroskopie in Kombination mit der Rekonstruktion des zeitab­hängigen Dipolmoments. Diese Technik wurde jetzt auf freie Elektronen ausgedehnt und das zeitabhängige Dipolmoment mit der klassischen Bewegung der ionisierten Elektronen verbunden. „Unsere neue Methode, angewandt auf Helium als Modellsystem, verknüpft das Absorptions­spektrum des ionisierenden Lichts mit den Elektronen­trajektorien“, erklärt Tobias Heldt vom MPI für Kernphysik. „Dadurch können wir die ultraschnelle Dynamik mit einer einzigen spektro­skopischen Messung untersuchen, ohne dass wir eine variable Zeitver­zögerung durchfahren müssen, um die Dynamik Bild für Bild zusammen­zusetzen.“

Die Messungen zeigen, dass bei bestimmten experi­mentellen Parametern die Wahrschein­lichkeit für eine Rekollision höher sein kann, wenn die Lichtwelle nicht linear, sondern zirkular polarisiert ist. Dies ist eine kontra­intuitive Erkenntnis, die jedoch theoretisch vorhergesagt wurde. Klassische Simulationen recht­fertigen diese Interpretation. Gruppenleiter Christian Ott zeigt sich optimistisch, was das zukünftige Potenzial dieses neuen Ansatzes angeht: „Generell erlaubt unsere Technik die Erforschung der laser­ge­triebenen Elektronen­bewegung in einem neuen Bereich mit geringerer Intensität, und sie könnte auf verschiedene Systeme angewendet werden, etwa zur Untersuchung der laser­ge­triebenen Elektronen­dynamik in größeren Atomen oder Molekülen.“

MPIK / RK

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