Time delay in nonadiabatic tunneling ionization

Lorsqu'un atome est frappé par un laser incroyablement puissant, le champ électrique peut devenir si fort qu'il courbe le mur invisible qui retient un électron à l'intérieur. Ce mur, qui maintient normalement l'électron piégé, devient assez mince pour que l'électron puisse s'y glisser, un processus connu sous le nom d'effet tunnel. Une fois que l'électron s'est échappé, il est libre de s'envoler, emportant avec lui l'enregistrement exact du moment et de la manière dont il est parti. Les scientifiques sont fascinés depuis longtemps par le timing de cette évasion. Parce que l'électron se déplace très vite et que les forces en jeu sont si intenses, le moment de son émergence n'est pas seulement une sortie simple ; c'est un événement complexe où l'électron pourrait rebondir sur le cœur de l'atome avant de s'envoler finalement, ou pourrait interagir avec l'atome de manières qui modifient sa vitesse et sa direction. Comprendre le délai précis entre le moment où l'électron commence à traverser l'effet tunnel et le moment où il est pleinement libre aide les physiciens à tester les limites de la mécanique quantique et à affiner notre compréhension de la manière dont la matière se comporte dans des conditions extrêmes.

Une équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg a examiné de plus près ce timing, en se concentrant spécifiquement sur une période où le champ laser n'est pas assez fort pour être parfaitement stable, mais pas assez faible pour être purement une série d'impacts de photons. Ce juste milieu, où le champ laser change rapidement pendant que l'électron tente de s'échapper, est connu sous le nom de régime non adiabatique. Dans ce régime, la barrière à travers laquelle l'électron effectue l'effet tunnel n'est pas un mur statique mais une cible mouvante qui se déplace et évolue à mesure que l'électron la traverse. Les chercheurs voulaient savoir comment ce changement de barrière affecte le temps nécessaire à l'électron pour émerger et ce qui arrive à l'électron s'il parvient à rebondir vers l'atome avant de s'échapper complètement.

Pour mener cette investigation, les scientifiques ont construit un modèle simplifié d'un atome, le traitant comme un système unidimensionnel où un électron est maintenu par une force à courte portée. Ils ont soumis ce modèle à une impulsion de demi-cycle d'un laser puissant, une bouffée de lumière qui monte et descend rapidement. Au lieu de s'appuyer sur les raccourcis habituels que les physiciens utilisent souvent pour faciliter la résolution d'équations complexes, ils ont effectué un calcul plus rigoureux qui suivait chaque détail du voyage de l'électron. Ils ont observé deux chemins spécifiques que l'électron peut emprunter après avoir commencé l'effet tunnel : l'un où il s'envole simplement, et l'autre où il fait demi-tour, frappe l'atome, puis soit reste coincé à nouveau, soit est expulsé de nouveau.

L'étude a révélé que le timing de l'évasion de l'électron est fortement influencé par le chemin qu'il emprunte, et que cette influence change radicalement selon la force du laser. Lorsque le champ laser est très fort, l'effet dominant provient d'un processus où l'électron effectue l'effet tunnel, fait demi-tour et se recombine brièvement avec l'atome avant d'être relâché à nouveau. Ce chemin de recombinaison crée un délai spécifique qui peut être mesuré comme un décalage dans la direction de vol de l'électron. Cependant, à mesure que le champ laser devient plus faible et entre dans le régime non adiabatique, l'histoire s'inverse. Dans ces champs plus faibles, l'électron gagne une quantité significative d'énergie alors qu'il est encore sous la barrière, et le facteur dominant devient un autre type de rebond, où l'électron subit une diffusion sur l'atome sans nécessairement se recombiner au préalable. Ce processus de diffusion provoque un délai beaucoup plus important dans le temps de sortie de l'électron que ce qui était prévu pour ces champs plus faibles.

Les chercheurs ont découvert que dans le régime de champ faible, un chemin spécifique et inhabituel devient important. Ce chemin implique un électron qui commence son voyage avec une impulsion négative, se déplaçant dans la direction opposée à la poussée du laser, ce qui lui permet d'interagir avec l'atome d'une manière impossible dans des champs plus forts et plus stables. Cette trajectoire inhabituelle, que les chercheurs ont identifiée grâce à leurs calculs détaillés, est responsable d'une augmentation brutale du délai observé lorsque le laser est faible. L'étude confirme que l'image simple d'un électron glissant simplement à travers un mur est incomplète ; l'interaction de l'électron avec l'atome après qu'il a commencé l'effet tunnel, ainsi que la façon dont le champ laser change pendant cette interaction, sont cruciales pour déterminer exactement quand l'électron devient libre.

En cartographiant la vitesse et la direction finales de l'électron pour les ramener au moment où il a quitté l'atome, l'équipe a pu quantifier ces délais. Ils ont montré que le délai n'est pas un nombre fixe mais une valeur qui dépend de l'intensité du laser. Dans les champs forts, le délai est relativement petit et dicté par le fait que l'électron rejoint brièvement l'atome. Dans les champs faibles, le délai augmente considérablement en raison des effets de diffusion et des trajectoires inhabituelles que l'électron peut emprunter. Les résultats suggèrent que pour mesurer avec précision le temps qu'il faut à un électron pour effectuer l'effet tunnel, les scientifiques doivent tenir compte de ces interactions complexes qui se produisent pendant que l'électron est encore sous la barrière, surtout lorsque le champ laser change rapidement. Ce travail fournit une image plus claire de la mécanique quantique en jeu lors de l'ionisation en champ fort, comblant le fossé entre l'effet tunnel lent et stable des champs forts et l'ionisation rapide pilotée par les photons des champs faibles.