Time delay in nonadiabatic tunneling ionization

Quando un atomo viene colpito da un laser incredibilmente potente, il campo elettrico può diventare così forte da piegare la parete invisibile che trattiene un elettrone all'interno. Questa parete, che normalmente tiene l'elettrone intrappolato, diventa abbastanza sottile da permettere all'elettrone di scivolare attraverso di essa, un processo noto come tunneling. Una volta che l'elettrone è sfuggito, è libero di volare via, portando con sé la registrazione esatta di quando e come è uscito. Gli scienziati sono da tempo affascinati dalla tempistica di questa fuga. Poiché l'elettrone si muove così velocemente e le forze coinvolte sono così intense, il momento della sua emergenza non è solo un semplice'uscita; è un evento complesso in cui l'ezione potrebbe rimbalzare contro il nucleo dell'atomo prima di volare via definitivamente, o potrebbe interagire con l'atomo in modi che ne cambiano la velocità e la direzione. Comprendere il ritardo preciso tra il momento in cui l'elettrone inizia il tunneling e il momento in cui è completamente libero aiuta i fisici a testare i limiti della meccanica quantistica e a perfezionare la nostra comprensione di come la materia si comporta in condizioni estreme.

Un team di ricercatori presso l'Istituto Max Planck per la Fisica Nucleare di Heidelberg ha esaminato più da vicino questa tempistica, concentrandosi specificamente su un periodo in cui il campo laser non è abbastanza forte da essere perfettamente costante, ma non abbastanza debole da essere puramente una serie di urti di fotoni. Questo terreno di mezzo, dove il campo laser cambia rapidamente mentre l'elettrone sta cercando di sfuggire, è noto come regime non adiabatico. In questo regime, la barriera attraverso la quale l'elettrone effettua il tunneling non è un muro statico, ma un bersaglio mobile che si sposta ed evolve mentre l'elettrone lo attraversa. I ricercatori volevano sapere come questo bersaglio mobile influenzi il tempo impiegato dall'elettrone per emergere e cosa accada all'elettrone se riesce a rimbalzare verso l'atomo prima di sfuggire completamente.

Per investigare questo fenomeno, gli scienziati hanno costruito un modello semplificato di un atomo, trattandolo come un sistema monodimensionale in cui un elettrone è trattenuto da una forza a corto raggio. Hanno sottoposto questo modello a un impulso di semiciclo di un laser potente, un lampo di luce che sale e scende rapidamente. Invece di affidarsi alle solite scorciatoie che i fisici usano spesso per rendere le equazioni complesse più facili da risolvere, hanno eseguito un calcolo più rigoroso che teneva traccia di ogni dettaglio del viaggio dell'elettrone. Hanno osservato due percorsi specifici che l'elettrone può intraprendere dopo aver iniziato il tunneling: uno in cui semplicemente vola via, e un altro in cui torna indietro, colpisce l'atomo e poi o rimane bloccato di nuovo o viene espulso nuovamente.

Lo studio ha rivelato che la tempistica della fuga dell'elettrone è pesantemente influenzata da quale di questi percorsi esso intraprende, e questa influenza cambia drasticamente a seconda della forza del laser. Quando il campo laser è molto forte, l'effetto dominante deriva da un processo in cui l'elettrone effettua il tunneling, torna indietro e si ricombina brevemente con l'atomo prima di essere rilasciato di nuovo. Questo percorso di ricombinazione crea un ritardo specifico che può essere misurato come uno spostamento nella direzione in cui l'elettrone vola. Tuttavia, quando il campo laser diventa più debole ed entra nel regime non adiabatico, la storia si ribalta. In questi campi più deboli, l'elettrone acquisisce una quantità significativa di energia mentre si trova ancora sotto la barriera, e il fattore dominante diventa un tipo diverso di rimbalzo, in cui l'elettrone si diffonde contro l'atomo senza necessariamente ricombinarsi prima. Questo processo di diffusione causa un ritardo nell'uscita dell'elettrone molto più grande di quanto precedentemente previsto per questi campi più deboli.

I ricercatori hanno scoperto che, nel regime di campo debole, un percorso specifico e insolito diventa importante. Questo percorso coinvolge un elettrone che inizia il suo viaggio con un momento negativo, muovendosi nella direzione opposta alla spinta del laser, il che gli permette di interagire con l'atomo in un modo che è impossibile nei campi più forti e costanti. Questa traiettoria insolita, che i ricercatori hanno identificato attraverso i loro calcoli dettagliati, è responsabile di un brusco aumento del ritardo osservato quando il laser è debole. Lo studio conferma che la semplice immagine di un elettrone che scivola semplicemente attraverso un muro è incompleta; l'interazione dell'elettrone con l'atomo dopo l'inizio del tunneling, e il modo in cui il campo laser cambia durante tale interazione, sono cruciali per determinare esattamente quando l'elettrone diventa libero.

Mappando la velocità e la direzione finale dell'elettrone rispetto al momento in cui ha lasciato l'atomo, il team è stato in grado di quantificare questi ritardi temporali. Hanno dimostrato che il ritardo non è un numero fisso, ma un valore che dipende dall'intensità del laser. In campi forti, il ritardo è relativamente piccolo ed è guidato dal fatto che l'elettrone si ricombina brevemente con l'atomo. Nei campi deboli, il ritardo cresce significativamente a causa degli effetti di diffusione e delle traiettorie insolite che l'elettrone può intraprendere. I risultati suggeriscono che, per misurare accuratamente il tempo impiegato da un elettrone per il tunneling, gli scienziati devono tenere conto di queste complesse interazioni che avvengono mentre l'elettrone è ancora sotto la barriera, specialmente quando il campo laser cambia rapidamente. Questo lavoro fornisce un quadro più chiaro della meccanica quantistica in gioco durante l'ionizzazione in campo forte, colmando il divario tra il tunneling lento e costante dei campi forti e l'ionizzazione rapida guidata dai fotoni dei campi deboli.