Time delay in nonadiabatic tunneling ionization

Wanneer een atoom wordt geraakt door een ongelooflijk sterke laser, kan het elektrische veld zo krachtig worden dat het de onzichtbare muur die een elektron binnenhoudt, doet buigen. Deze muur, die het elektron normaal gesproken gevangen houdt, wordt dun genoeg zodat het elektron erdoorheen kan glippen, een proces dat bekend staat als tunneling. Zodra het elektron ontsnapt, is het vrij om weg te vliegen, waarbij het een verslag met zich meedraagt van precies wanneer en hoe het vertrok. Wetenschappers zijn al lang gefascineerd door de timing van deze ontsnapping. Omdat het elektron zo snel beweegt en de krachten die in het spel zijn zo intens zijn, is het moment van verschijnen niet slechts een eenvoudige uitgang; het is een complexe gebeurtenis waarbij het elektron tegen de kern van het atoom kan stuiteren voordat het uiteindelijk wegvliegt, of het kan op manieren met het atoom interageren die de snelheid en richting ervan veranderen. Het begrijpen van de precieze vertraging tussen het moment dat het elektron begint te tunnelen en het moment dat het volledig vrij is, helpt natuurkundigen om de grenzen van de kwantummechanica te testen en ons begrip van hoe materie zich gedraagt onder extreme omstandigheden te verfijnen.

Een team van onderzoekers aan het Max Planck Instituut voor Nucleaire Fysica in Heidelberg heeft een nauwer oog op deze timing geworpen, specifiek gericht op een periode waarin het laserveld niet sterk genoeg is om perfect constant te zijn, maar ook niet zwak genoeg om puur een reeks fotonhits te zijn. Dit middengebied, waar het laserveld snel verandert terwijl het elektron probeert te ontsnappen, staat bekend als het niet-adiabatische regime. In dit regime is de barrière waar het elektron doorheen tunnelt geen statische muur, maar een bewegend doelwit dat verschuift en evolueert terwijl het elektron erdoorheen gaat. De onderzoekers wilden weten hoe deze verschuivende barrière de tijd beïnvloedt die het elektron nodig heeft om te verschijnen, en wat er met het elektron gebeurt als het terug naar het atoom stuitert voordat het volledig ontsnapt.

Om dit te onderzoeken, bouwden de wetenschappers een vereenvoudigd model van een atoom, waarbij ze het behandelden als een eendimensionaal systeem waarin een elektron wordt vastgehouden door een kort reikende kracht. Ze onderwierpen dit model aan een half-cyclus puls van een sterke laser, een lichtflits die snel stijgt en daalt. In plaats van te vertrouwen op de gebruikelijke afkortingen die natuurkundigen vaak gebruiken om complexe vergelijkingen gemakkelijker op te lossen, voerden ze een meer rigoureuze berekening uit die elk detail van de reis van het elektron bijhield. Ze keken naar twee specifieke paden die het elektron kan volgen nadat het begonnen is te tunnelen: één waarbij het simpelweg wegvliegt, en een ander waarbij het omkeert, het atoom raakt en vervolgens ofwel weer vast komt te zitten, ofwel opnieuw wordt weggeschoten.

De studie onthulde dat de timing van de ontsnapping van het elektron zwaar wordt beïloed door welk pad het volgt, en dat deze invloed drastisch verandert afhankelijk van de sterkte van de laser. Wanneer het laserveld zeer sterk is, komt de dominante invloed voort uit een proces waarbij het elektron tunnelt, omkeert en kortstondig recombineert met het atoom voordat het opnieuw wordt vrijgelaten. Dit recombinatiepad creëert een specifieke vertraging die gemeten kan worden als een verschuiving in de richting waarin het elektron vliegt. Echter, wanneer het laserveld zwakker wordt en het niet-adiabatische regime binnentreedt, draait het verhaal om. In deze zwakkere velden krijgt het elektron een aanzienlijke hoeveelheid energie terwijl het zich nog onder de barrière bevindt, en wordt de dominante factor een ander soort stuiteren, waarbij het elektron van het atoom wegverstrooit zonder noodzakelijkerwijs eerst te recombineren. Dit verstrooiingsproces veroorzaakt een veel grotere vertraging in de ontsnappingstijd van het elektron dan eerder werd verwacht voor deze zwakkere velden.

De onderzoekers ontdekten dat in het zwakke veldregime een specifiek, ongebruikelijk pad belangrijk wordt. Dit pad betreft een elektron dat zijn reis begint met een negatieve impuls, bewegend in de tegenovergestelde richting van de duw van de laser, wat het mogelijk maakt om op een manier met het atoom te interageren die onmogelijk is in sterkere, stabielere velden. Deze ongewone trajectorie, die de onderzoekers door hun gedetailleerde berekeningen hebben geïdentificeerd, is verantwoordelijk voor een scherpe toename van de tijdsvertraging die wordt waargenomen wanneer de laser zwak is. De studie bevestigt dat het eenvoudige beeld van een elektron dat simpelweg door een muur glipt incompleet is; de interactie van het elektron met het atoom nadat het is begonnen te tunnelen, en de manier waarop het laserveld tijdens die interactie verandert, zijn cruciaal voor het bepalen van exact wanneer het elektron vrij wordt.

Door de uiteindelijke snelheid en richting van het elektron terug te mappen naar het moment dat het het atoom verliet, was het team in staat om deze tijdsvertragingen te kwantificeren. Ze lieten zien dat de vertraging geen vast getal is, maar een waarde die afhangt van de intensiteit van de laser. In sterke velden is de vertraging relatief klein en wordt deze gedreven door het feit dat het elektron kortstondig weer bij het atoom aansluit. In zwakke velden wordt de vertraging aanzienlijk groter door de verstrooiingseffecten en de ongebruikelijke trajectorieën die het elektron kan nemen. De resultaten suggerieën dat om de tijd die een elektron nodig heeft om te tunnelen nauwkeurig te meten, wetenschappers rekening moeten houden met deze complexe interacties die plaatsvinden terwijl het elektron nog onder de barrière is, vooral wanneer het laserveld snel verandert. Dit werk biedt een duidelijker beeld van de kwantummechanica die in het spel is tijdens sterk-veld ionisatie, en overbrugt de kloof tussen de stabiele, trage tunneling van sterke velden en de snelle, door fotonen gedreven ionisatie van zwakke velden.