Novi naučni uspjeh članova grupe SAMOPHYS

17. marta 2021. godine rad “High-order phase-dependent asymmetry in the above-threshold ionization plateau“ („Fazno-zavisna asimetrija višeg reda u platou jonizacije iznad praga“), čiji su koautori doc. dr. Benjamin Fetić i akademik prof. dr. Dejan Milošević sa Odsjeka za fiziku Prirodno-matematičkog fakulteta Univerziteta u Sarajevu, objavljen je u američkom časopisu Physical Review Letters, najboljem časopisu iz fizike u kojem se objavljuju kratki radovi (Letters; impact factor 8,385 za 2019. godinu). Objavljeni rad je rezultat saradnje naših naučnika sa dvije eksperimentalne naučnoistraživačke grupe, jednom iz Jene, Njemačka (11 koautora sa Instituta za optiku i kvantnu elektroniku i Helmholtzovog instituta) i drugom iz Segedina, Mađarska (7 koautora sa instituta ELI-ALPS, gdje je izvršen eksperiment). Teorijski proračuni i simulacija eksperimenta su realizovani na kompjuterskoj opremi (klaster tipa Beowulf sa 88 CPU jezgri i preko 200 GB RAM-a i server Dell PowerEdge R940 sa 80 CPU jezgri i 256 GB RAM-a na kojem su rađeni TDSE proračuni) Katedre za atomsku, molekularnu i optičku fiziku  Odsjeka za fiziku u Sarajevu. Pored simulacije eksperimenta, doprinos naučnika iz Sarajeva je i fizikalno objašnjenje novootkrivenog procesa, kao i obimni dopunski materijal u kojem je detaljno predstavljena teorija korištena za simulaciju i objašnjenje rezultata eksperimenta.

ELI-ALPS je dio evropske naučne infrastukture (Exteme Light Infrastructure), vrijedne preko 850 miliona eura, posvećen izvorima ultrakratkih (atosekundnih; 1 atosekunda = 10^-18 s) laserskih pulseva (Attosecond Light Pulse Source) iistraživanju dinamike elektrona u atomima, molekulima, plazmi i kondenzovanoj materiji na atomskoj vremenskoj skali. Sa takvim izvorima ultrakratkih jakih laserskih pulseva, talasne dužine 3100 nm (srednjetalasno infracrveno (MIR) područje spektra) jonizovani su atomi cezijuma. Detektor elektrona su konstruisali naučnici iz Jene. Fotoelektroni oslobođeni u procesu jonizacije su emitovani okomito na smjer prostiranja laserskog pulsa i registrovani sa dva detektora postavljena u tzv. stereo konfiguraciji. Osnovni parametar koji se mjeren je asimetrija definisana kao: A = (NL-ND)/ (NL+ND), gdje su NL i ND brojevi elektrona registrovanih lijevim i desnim detektorom. Laserski puls je toliko kratak (oko 30 fs) da se sastoji od samo nekoliko optičkih ciklusa. Takvi pulsevi zavise od faze Φ između nosećeg (carrier) talasa i obvojnice (envelope) pulsa. Ova faza se naziva carrier-envelope phase (CEP) ili apsolutna faza. U eksperimentu je ostvarena stabilizacija te faze i mjerena je zavisnost asimetrije od faze i energije E fotoelektrona, tj. A(E,Φ). Novi efekat koji je zapažen je oscilacija asimetrije A(E,Φ) u obliku trifurkacije. Ova oscilacija asimetrije se javlja pri većim intenzitetima laserskog polja i različita je od uobičajene sinusoidalne oscilacije pri kojoj asimetrija ima samo jednu oscilaciju kada se faza promijeni od 0 do 2π, A(E,Φ) ~ sin(Φ +Φ0). Rezultati eksperimenta su potvrđeni simulacijom koja se bazira na egzaktnom numeričkom rješavanju vremenski zavisne Schrödingerove jednačine (TDSE) i posebnom numeričkom metodu za proračun spektara fotoelektrona (rad o tom metodu je publikovan 2020. godine u časopisu Physical Review A). Rezultati uključuju usrednjavanje po raspodjeli intenziteta u fokusu laserskog snopa. Ova simulacija je bila moguća zahvaljujući serveru nabavljenom iz sredstava projekta sufinansiranog od Ministarstva za obrazovanja, nauku i mlade Kantona Sarajevo. Proračuni su trajali više od pola godine. Na slikama su prikazani eksperimentalni rezultati i TDSE simulacija. Jasno su označene oblasti u kojima je uočena trifurkacija.

Ovi rezultati su potvrđeni i primjenom dva aproksimativna metoda, tzv. poboljšane aproksimacije jakog polja (ISFA – Improved Strong Field Approximation) i metodom sedlaste tačke (saddle-point method). Aproksimativni metodi su omogućili da se dobijeni efekat objasni. Metodom kvantnih orbita otkrivene su trajektorije elektrona čija interferencija je odgovorna za zapaženi efekat. Izdvojeno je osam parova kvantnih orbita. Na donjoj slici su ti parovi označeni sa 2.5, 3.5, 4.5 i 5.5 za kratke orbite i sa 2, 3, 4 i 5 za duge orbite. Ovi brojevi označavaju trenutak jonizacije izražen u optičkim ciklusima (ukupno trajanje pulsa je 8 optičkih ciklusa). Za kratke orbite elektron se, vođen laserskim poljem, vrati nakon 0.7 optičkih ciklusa i rasije na matičnom jonu atoma cezija i zatim odlazi prema detektoru. Na slici se vidi da je u označenom području energija doprinos kratkih orbita 3.5 i 4.5 uporedljiv, što dovodi do interferencije. I zaista, uzimajući u obzir samo te kratke orbite dobijena je tražena trifurkacija koja je prikazana na slici.

Sada ćemo reći nešto malo više o fizikalnom objašnjenju rezutata i njihovom značaju. Simetrije i narušenje simetrija su od posebnog značaja u fizici, naročito u nelinearnoj optici. Narušenje prostorne (lijevo-desno) simetrije spektara fotoelektrona pomoću asimetričnog oblika laserskog impulsa je već godinama aktivno područje istraživanja u fizici jakih polja. Svi dosadašnji eksperimenti su pokazali da, u skladu sa intuicijom, asimetrija  fotoelektronskog spektra slijedi promjene kontrolne varijable  na sinusoidalan način. U ovom radu su dobijeni rezultati koji su u suprotnosti sa tim intuitivnim zaključkom. Zapažene visokofrekventne oscilacije koje su rezultat interferencije elektronskih talasnih paketa koji su se rasijali unatrag, što vodi na holografiju fotoelektrona koja je vremenskog tipa. Holografija je dobro poznata u fizici i zanovana je na interferenciji referentnog i signalnog talasa. U fizici jakih polja i atonauci koncept holografije je korišten da se objasni dinamika i interferencija dva elektronska talasna paketa koja su emitovana u procesu jonizacije jakim laserskim poljem. Ovi talasni paketi su emitovani iz iste prostorne tačke (kraja tunela u procesu jonizacije tuneliranjem) u istom trenutku (trenutku jonizacije), a njihova interferencija se registruje detektorom, gdje oni stižu sa istim impulsom. Referentni talasni  paket ide direktno od izvora ka detektoru, dok drugi talas (signalni talas) stiže na detektor nakon što je manifestovala u specifičnoj strukturi raspodjele impulsa fotoelektrona. Ovaj koncept holografije prostornog tipa  uveden je 2011. godine u radu koji je objavljen u časopisu Science. U našem eksperimentu zapažena je interferencija u (fazno-zavisnoj) raspodjeli energija fotoelektrona duž ose polarizacije laserskog polja. Za razliku od pomenute holografije prostornog tipa, u našem eksperimentu se radi o holografiji vremenskog tipa. To je zbog toga što su interferirajući talasni paketi emitovani u različitim trenucima iz iste prostorne tačke (pozicije matičnog jona). Ova karakteristika razlikuje našu “time-domain” holografiju od uobičajene “spatial-domain” holografije. Analogija sa orbitama elektrona i holografijom daje sliku pomoću koje ilustrujemo i shvaćamo fiziku fenomena koji proučavamo. Otvorena je perspektiva za nove eksperimente, kako sa atomima tako i sa molekulama i složenijim strukturama. Na narednim slikama su prikazani hologrami i holografska interferentna slika. Ovi rezultati su predstavljeni u obimnom dopunskom materijalu koji je objavljen uz pomenuti rad.

Na lijevoj slici je predstavljena interferencija amplituda kao primijer holografije vremenskog tipa. Na desnoj slici su predstavljene faze amplituda prelaza za orbite 3.5 i 4.5 kao  hologrami.

• Prethodna
• Sljedeća