Time delay in nonadiabatic tunneling ionization

Wenn ein Atom von einem unglaublich starken Laser getroffen wird, kann das elektrische Feld so gewaltig werden, dass es die unsichtbare Wand verbiegt, die ein Elektron im Inneren festhält. Diese Wand, die das Elektron normalerweise gefangen hält, wird dünn genug, dass das Elektron hindurchgleiten kann, ein Prozess, der als Tunneln bekannt ist. Sobald das Elektron entkommt, ist es frei zu davonzufliegen und trägt dabei eine exakte Aufzeichnung darüber mit sich, wann und wie es die Bindung verlassen hat. Wissenschaftler sind seit langem fasziniert von der Zeitmessung dieses Entkommens. Da sich das Elektron so schnell bewegt und die beteiligten Kräfte so intensiv sind, ist der Moment des Austritts nicht nur ein einfacher Ausstieg; es ist ein komplexes Ereignis, bei dem das Elektron vor dem Atomkern abprallen könnte, bevor es schließlich wegfliegt, oder bei dem es mit dem Atom auf eine Weise interagieren kann, die seine Geschwindigkeit und Richtung verändert. Das Verständnis der präzisen Verzögerung zwischen dem Moment, in dem das Elektron zu tunneln beginnt, und dem Moment, in dem es vollkommen frei ist, hilft Physikern, die Grenzen der Quantenmechanik zu testen und unser Verständnis darüber, wie Materie unter extremen Bedingungen reagiert, zu verfeinern.

Ein Team von Forschern am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg hat sich genauer mit dieser Zeitmessung befasst, insbesondere mit einem Zeitraum, in dem das Laserfeld nicht stark genug ist, um perfekt stationär zu sein, aber auch nicht schwach genug, um rein aus einer Serie von Photonentreffern zu bestehen. Dieser Mittelgrund, in dem sich das Laserfeld schnell verändert, während das Elektron versucht zu entkommen, ist als nichtadiabatisches Regime bekannt. In diesem Regime ist die Barriere, durch die das Elektron tunnelt, keine statische Wand, sondern ein bewegliches Ziel, das sich verschiebt und entwickelt, während das Elektron hindurchgeht. Die Forscher wollten wissen, wie diese sich verschiebende Barriere die Zeit beeinflusst, die das Elektron benötigt, um hervorzutreten, und was mit dem Elektron geschieht, wenn es versucht, vor dem vollständigen Entkommen zum Atom zurückzukehren.

Um dies zu untersuchen, bauten die Wissenschaftler ein vereinfachtes Modell eines Atoms, indem sie es als ein eindimensionales System behandelten, in dem ein Elektron durch eine kurzreichweitige Kraft festgehalten wird. Sie setzten dieses Modell einem Halbzyklus-Puls eines starken Lasers aus, einem Lichtstoß, der schnell ansteigt und wieder abfällt. Anstatt sich auf die üblichen Abkürzungen zu verlassen, die Physiker oft nutzen, um komplexe Gleichungen leichter lösbar zu machen, führten sie eine präzisere Berechnung durch, die jedes Detail der Reise des Elektrons genau verfolgte. Sie betrachteten zwei spezifische Pfade, die das Elektron nach Beginn des Tunnelns nehmen konnte: einen, bei dem es einfach davonfliegt, und einen anderen, bei dem es umkehrt, das Atom trifft und dann entweder wieder dort hängen bleibt oder erneut herausgeschleudert wird.

Die Studie ergab, dass die Zeitmessung des Elektronenaustritts stark davon beeinflusst wird, welchen dieser Pfade es nimmt, und dass dieser Einfluss sich drastisch ändert, je nach Stärke des Laserfeldes. Wenn das Laserfeld sehr stark ist, stammt der dominante Effekt aus einem Prozess, bei dem das Elektron tunnelt, umkehrt und kurzzeitig mit dem Atom rekombiniert, bevor es wieder freigesetzt wird. Dieser Rekombinationspfad erzeugt eine spezifische Verzögerung, die als Verschiebung in der Flugrichtung des Elektrons gemessen werden kann. Doch wenn das Laserfeld schwächer wird und in das nichtadiabatische Regime eintritt, kehrt sich die Geschichte um. In diesen schwächeren Feldern gewinnt das Elektron eine signifikante Menge an Energie, während es sich noch unter der Barriere befindet, und der dominierende Faktor wird ein anderer Typ von Abprall, bei dem das Elektron vom Atom streut, ohne notwendigerweise zuvor zu rekombinieren. Dieser Streuprozess verursacht eine viel größere Verzögerung in der Austrittszeit des Elektrons als zuvor für diese schwächeren Felder erwartet wurde.

Die Forscher fanden heraus, dass in dem schwachen Feldregime ein spezifischer, ungewöhnlicher Pfad wichtig wird. Dieser Pfad beinhaltet ein Elektron, das seine Reise mit einem negativen Impuls beginnt – es bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung des Drucks des Lasers –, was es dem Elektron ermöglicht, auf eine Weise mit dem Atom zu interagieren, die in stärkeren, stationäreren Feldern unmöglich ist. Diese ungewöhnliche Trajektorie, die die Forscher durch ihre detaillierten Berechnungen identifizierten, ist verantwortlich für einen scharfen Anstieg der beobachteten Zeitverzögerung, wenn das Laserfeld schwach ist. Die Studie bestätigt, dass das einfache Bild eines Elektrons, das nur durch eine Wand gleitet, unvollständig ist; die Wechselwirkung des Elektrons mit dem Atom nach Beginn des Tunnelns und die Art und Weise, wie sich das Laserfeld während dieser Interaktion verändert, sind entscheidend dafür, wann genau das Elektron frei wird.

Indem sie die endgültige Geschwindigkeit und Richtung des Elektrons auf den Moment zurückrechneten, in dem es das Atom verließ, war das Team in der Lage, diese Zeitverzögerungen zu quantifizieren. Sie zeigten, dass die Verzögerung keine feste Zahl ist, sondern ein Wert, der von der Intensität des Lasers abhängt. In starken Feldern ist die Verzögerung relativ gering und wird durch das kurze Wiedervereinen des Elektrons mit dem Atom angetrieben. In schwachen Feldern wächst die Verzögerung aufgrund der Streueffekte und der ungewöhnlichen Trajektorien, die das Elektron nehmen kann, signifikant an. Die Ergebnisse legen nahe, dass Wissenschaftler, um die Zeit zu messen, die ein Elektron beim Tunneln benötigt, diese komplexen Wechselwirkungen berücksichtigen müssen, die auftreten, während sich das Elektron noch unter der Barriere befindet, insbesondere wenn sich das Laserfeld schnell verändert. Diese Arbeit liefert ein klareres Bild der in der starken Feldionisation ablaufenden Quantenmechanik und schließt die Lücke zwischen dem stationären, langsamen Tunneln in starken Feldern und der schnellen, photonengetriebenen Ionisation in schwachen Feldern.