Time delay in nonadiabatic tunneling ionization
यह शोध पत्र इस बात की जांच करता है कि गैर-एडियाबेटिक आयनीकरण (nonadiabatic ionization) में अवरोध-के-नीचे पुन: टकराव पथ (under-the-barrier recollision pathway) से उत्पन्न होने वाला टनलिंग समय विलंब (tunneling time delay), उच्च-क्रम स्ट्रॉन्ग फील्ड एप्रोक्सिमेशन सुधारों द्वारा कैसे संशोधित होता है, जो लेजर क्षेत्र की शक्ति के मजबूत से कमजोर होने पर पुनर्संयोजन (recombination) और पुन: प्रकीर्णन (rescattering) योगदानों के बीच प्रभुत्व में उलटफेर को प्रकट करता है।
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जब एक परमाणु से अत्यंत शक्तिशाली लेजर टकराता है, तो विद्युत क्षेत्र इतना शक्तिशाली हो सकता है कि वह इलेक्ट्रॉन को अंदर थामे रखने वाली अदृश्य दीवार को मोड़ देता है। यह दीवार, जो सामान्यतः इलेक्ट्रॉन को कैद रखती है, इतनी पतली हो जाती है कि इलेक्ट्रॉन इसके माध्यम से फिसल कर बाहर निकल सकता है, जिसे टनलिंग (tunneling) की प्रक्रिया कहा जाता है। एक बार जब इलेक्ट्रॉन निकल जाता है, तो वह इस सटीक रिकॉर्ड के साथ उड़ने के लिए स्वतंत्र होता है कि वह कब और कैसे निकला। वैज्ञानिक इस पलायन के समय को लेकर लंबे समय से आकर्षित रहे हैं। क्योंकि इलेक्ट्रॉन बहुत तेज़ गति से चलता है और इसमें शामिल बल इतने तीव्र होते हैं, इसलिए इसके निकलने का क्षण केवल एक साधारण निकास नहीं है; यह एक जटिल घटना है जहाँ इलेक्ट्रॉन पूरी तरह से उड़ने से पहले परमाणु के केंद्र से टकराकर वापस आ सकता है, या यह परमाणु के साथ ऐसे तरीकों से अंतःक्रिया कर सकता है जो इसकी गति और दिशा को बदल देते हैं। इलेक्ट्रॉन के टनल करने के क्षण और उसके पूरी तरह से मुक्त होने के क्षण के बीच के सटीक विलंब (delay) को समझना भौतिकविदों को क्वांटम मैकेनिक्स की सीमाओं का परीक्षण करने और चरम स्थितियों में पदार्थ के व्यवहार के बारे में हमारी समझ को परिष्कृत करने में मदद करता है।
मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर न्यूक्लियर फिजिक्स, हाइडलबर्ग के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समय के अध्ययन पर बारीकी से नज़र डाली है, विशेष रूप से उस अवधि पर ध्यान केंद्रित किया है जहाँ लेजर क्षेत्र इतना मजबूत नहीं है कि वह पूरी तरह से स्थिर हो सके, लेकिन इतना कमजोर भी नहीं है कि वह शुद्ध रूप से फोटॉन के प्रहारों की एक श्रृंखला बन जाए। यह मध्यवर्ती स्थिति, जहाँ लेजर क्षेत्र इलेक्ट्रॉन के निकलने के प्रयास के दौरान तेजी से बदलता है, नॉन-एडियाबेटिक (nonadiabatic) शासन के रूप में जानी जाती है। इस शासन में, वह अवरोध जिसके माध्यम से इलेक्ट्रॉन टनल करता है, एक स्थिर दीवार नहीं है बल्कि एक गतिशील लक्ष्य है जो इलेक्ट्रॉन के गुजरने के दौरान बदलता और विकसित होता रहता है। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि यह बदलता हुआ अवरोध इलेक्ट्रॉन के निकलने के समय को कैसे प्रभावित करता है और यदि इलेक्ट्रॉन पूरी तरह से बाहर निकलने से पहले वापस परमाणु की ओर मुड़ जाता है, तो उसके साथ क्या होता है।
इसकी जांच करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक परमाणु का एक सरलीकृत मॉडल बनाया, जिसमें उन्होंने इसे एक एक-आयामी प्रणाली (one-dimensional system) के रूप में माना जहाँ एक इलेक्ट्रॉन को एक अल्प-दूरी वाले बल (short-range force) द्वारा थामे रखा जाता है। उन्होंने इस मॉडल को एक स्ट्रॉन्ग लेजर हाफ-साइकिल पल्स (half-cycle pulse) के अधीन किया, जो प्रकाश का एक ऐसा विस्फोट है जो तेजी से बढ़ता और गिरता है। उन सामान्य शॉर्टकटों पर निर्भर रहने के बजाय जिनका उपयोग भौतिकविद अक्सर जटिल समीकरणों को हल करना आसान बनाने के लिए करते हैं, उन्होंने एक अधिक कठोर गणना की जिसने इलेक्ट्रॉन की यात्रा के हर विवरण का हिसाब रखा। उन्होंने इलेक्ट्रॉन द्वारा टनल शुरू करने के बाद लिए जाने वाले दो विशिष्ट पथों का अवलोकन किया: एक जहाँ वह बस दूर उड़ जाता है, और दूसरा जहाँ वह वापस मुड़ता है, परमाणु से टकराता है, और फिर या तो दोबारा फंस जाता है या फिर से बाहर निकाल दिया जाता है।
अध्ययन से पता चला कि इलेक्ट्रॉन के पलायन का समय इस बात से भारी रूप से प्रभावित होता है कि वह इनमें से किस पथ का अनुसरण करता है, और यह प्रभाव लेजर की शक्ति के आधार पर नाटकीय रूप से बदल जाता है। जब लेजर क्षेत्र बहुत शक्तिशाली होता है, तो प्रमुख प्रभाव उस प्रक्रिया से आता है जहाँ इलेक्ट्रॉन टनल करता है, वापस मुड़ता है, और परमाणु के साथ संक्षिप्त रूप से पुनर्संयोजन (recombine) करता है और फिर से मुक्त होने से पहले उससे जुड़ जाता है। यह पुनर्संयोजन पथ एक विशिष्ट विलंब पैदा करता है जिसे इलेक्ट्रॉन के उड़ने की दिशा में एक बदलाव के रूप में मापा जा सकता है। हालाँकि, जैसे-जैसे लेजर क्षेत्र कमजोर होता है और नॉन-एडियाबेटिक शासन में प्रवेश करता है, कहानी पलट जाती है। इन कमजोर क्षेत्रों में, इलेक्ट्रॉन अवरोध के नीचे ही महत्वपूर्ण ऊर्जा प्राप्त कर लेता है, और प्रमुख कारक एक अलग प्रकार का उछाल (bounce) बन जाता है, जहाँ इलेक्ट्रॉन पुनर्संयोजन किए बिना परमाणु से बिखर जाता है। यह स्कैटरिंग (scattering) प्रक्रिया इलेक्ट्रॉन के बाहर निकलने के समय में पहले की अपेक्षा कहीं अधिक बड़ा विलंब उत्पन्न करती है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि कमजोर क्षेत्र के शासन में, एक विशिष्ट, असामान्य पथ महत्वपूर्ण हो जाता है। इस पथ में एक ऐसा इलेक्ट्रॉन शामिल है जो अपनी यात्रा ऋणात्मक संवेग (negative momentum) के साथ शुरू करता है, यानी लेजर के धक्के की विपरीत दिशा में, जो इसे परमाणु के साथ इस तरह से अंतःक्रिया करने की अनुमति देता है जो मजबूत, स्थिर क्षेत्रों में असंभव है। इस असामान्य प्रक्षेपवक्र (trajectory) को शोधकर्ताओं ने अपनी विस्तृत गणनाओं के माध्यम से पहचाना, जो कमजोर लेजर के दौरान देखे गए समय विलंब में तीव्र वृद्धि के लिए जिम्मेदार है। अध्ययन पुष्टि करता है कि इलेक्ट्रॉन के केवल एक दीवार से फिसलने जाने का सरल चित्र अधूरा है; इलेक्ट्रॉन की परमाणु के साथ अंतःक्रिया, जो उसके टनल शुरू करने के बाद होती है, और जिस तरह से लेजर क्षेत्र उस अंतःक्रिया के दौरान बदलता है, यह निर्धारित करने के लिए महत्वपूर्ण है कि इलेक्ट्रॉन वास्तव में कब मुक्त होता है।
इलेक्ट्रॉन की अंतिम गति और दिशा को परमाणु से उसके निकलने के क्षण के साथ जोड़कर, टीम इलेक्ट्रॉन के समय विलंब को मापने में सफल रही। उन्होंने दिखाया कि विलंब एक निश्चित संख्या नहीं है बल्कि एक ऐसा मान है जो लेजर की तीव्रता पर निर्भर करता है। मजबूत क्षेत्रों में, विलंब अपेक्षाकृत कम होता है और यह इलेक्ट्रॉन के परमाणु के साथ संक्षिप्त रूप से पुनः जुड़ने से प्रेरित होता है। कमजोर क्षेत्रों में, स्कैटरिंग प्रभावों और इलेक्ट्रॉन द्वारा लिए जाने वाले असामान्य प्रक्षेपपथों के कारण विलंब काफी बढ़ जाता है। परिणाम बताते हैं कि इलेक्ट्रॉन के टनल करने के समय को सटीक रूप से मापने के लिए, वैज्ञानिकों को उन जटिल अंतःक्रियाओं को ध्यान में रखना चाहिए जो अवरोध के नीचे होने के दौरान होती हैं, विशेष रूप से तब जब लेजर क्षेत्र तेजी से बदल रहा हो। यह कार्य स्ट्रॉन्ग-फील्ड आयनीकरण के दौरान सक्रिय क्वांटम मैकेनिक्स की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है, जो मजबूत क्षेत्रों के स्थिर, धीमे टनलिंग और कमजोर क्षेत्रों के तीव्र, फोटॉन-संचालित आयनीकरण के बीच के अंतर को पाटता है।
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