Niskoenergetska struktura u spektru fotoelektrona

Tokom proteklih 30-tak godina jonizacija atoma i molekula jakim laserskim poljem je intenzivno proučavana kako eksperimentalno tako i sa stanovišta teorije. Ovo je dovelo do otkrića niza fenomena kao što sto su jonizacija iznad praga (ATI – Above-threshold ionization), jonizacija iznad praga višeg reda (HATI – High-order above-threshold ionization), generacija harmonika višeg reda (HHG – High-order harmonic generation) i mnogih sličnih procesa koje se mogu odvijati samo u prisustvu laserskom polja. Ukratko, ATI podrazumijeva da se elektron jonizuje tako što apsorbuje više fotona laserskog polja nego što mu je potrebno za jonizaciju. U tom slučaju, spektar detektovanih elektrona pokazuje izražene maksimume tako da je rastojanje dvaju susjedna maksimuma jednak energiji jednog fotona laserskog polja. Pored toga, moguće da se elektron jonizuje tuneliranjem i u tom slučaju spektar detektovanih elektrona ne pokazuje maksimume, nego se kontinuirano mijenja.

Sa stanovišta teorije, jonizacija atoma jakim laserskim poljem je veoma dobro objašnjena Keldysh-Faisal-Reissovom teorijom [1-3] koja se zasniva na S-matričnom pristupu koji daje amplitudu vjerovatnoće prelaza iz vezanog u kontinuirano stanje. KFR teorija ne uzima u obzir uticaj jona na kretanja elektrona nakon jonizacije. Ova aproksimacija se naziva aproksimacija jakog polja (SFA – Strong-field approximation). Zbog toga se često za KFR teoriju koristi i naziv SFA.

Jonizacija atoma jakim laserskim poljima može se objasniti jednostavnim modelom [4] prema kojem se elektron prvo jonizuje, zatim se kreće u laserskom polju, i potom može da se vrati matičnom jonu na kojem se elastično rasije. Elektroni koji nakon jonizacije odlaze direktno ka detektoru se zovu direktni elektroni, dok se elektroni koji su rasijani na matičnom jonu pa tek onda odlaze ka detektoru zovu rasijani elektroni. Maksimalna energija direktnih elektrona je 2Up, dok je maksimalna energija rasijanih elektrona 10Up, gdje je Up energija elektrona koji osciluje u laserskom polju, usrednjena po jednom periodu oscilovanja polja. Vjerovatnoća da se elektron rasije na matičnom jonu je za nekoliko redova veličine manja od vjerovatnoće da elektron odmah odlazi ka detektoru. Ono što je interesantno spomenuti jeste da se kretanje elektrona u laserskom polju može objasniti klasičnom fizikom, tj. primjenom drugog Newtonovog zakona.

Slika 1.   Na gornjoj  slici je prikazan karakterističan spektar koji se dobije pri multifotonskoj jonizaciji atoma vodika. Elektron može da apsorbuje više fotona laserskog polja nego što mu je potrebno za jonizaciju. Maksimumi u spektru su međusobno odvojeni za energiju jednog fotona laserskog polja. Na donjoj slici je prikazan cijeli ATI spektar za vodik. Na vrijednosti 2Up javlja se odsjecanje, nakon čega slijedi prošireni plato sve do energije 10Up gdje se ponovo javlja odsjecanje. Spektar do 2Up odgovara direktnim elektronima, a široki plato od 4Up pa do 10Up elektronima koji su se rasijali na matičnom jonu

Ovako jednostavna slika jonizacije atoma jakim laserskim poljima uspjela je objasniti mnoge rezultate eksperimenata. Međutim, u majskom izdanju Nature Physics iz 2009. godine, Blaga et al. [5] objavljuju eksperimentalne rezultate u kojima se u niskoenergetskom dijelu spektra elektrona pojavljuju izraženi maksimumi koji dosada nisi bili uočeni. S obzirom da se maksimumi pojavljuju u niskoenergetskom dijelu spektra, ovaj fenomen je nazvan LOW-ENERGY STRUCTURE (LES). U istom radu je pokazano da se LES pojavljaju u svim ispitivanim gasovima kao što su Ar, Xe, He, pa čak i kod molekula N2 i H2. Praktično, LES znači da čak više od 50% elektrona koji se detektuju ima energiju u ovom uskom intervalu energije. Izgleda da je mehanizam koji uzrokuje pojavu LES-a univerzalnog karaktera i ne zavisi od vrste mete.

Slika 2. Low-energy structure kod argona, N2, H2. Na slici je predstavljeno poređenje KFR teorije i eksperimentalnih rezultata.

Odgovor na pitanje zašto dosada nisu mogli biti uočeni maksimumi u niskoenergetskom dijelu spektra, leži u činjenici da sve do posljednjih nekoliko godina, korišteni laseri su imali valne dužine u vidljivom dijelu spektra (rubinski laser, 790 nm), ili u području bliskom vidljivom dijelu spektra (Nd laser 1060 nm, ili titanium-safirski laser, 800 nm). U eksperimentima Blaga et al. korišteni su laseri koji imaju valne dužine u infracrvenom području, od 1500 nm do 3800 nm. Ključni faktor u nastanku LES-a ima valna dužina primijenjenog laserskog polja. Jonizacija mete mora se odvijati u režimu tuneliranja. U ovom području valnih dužina, jonizacija tuneliranjem postaje dominantna i po pravilo bi trebalo da gore spomenuti pojednostavljeni model i SFA mogu objasniti ovaj fenomen. Međutim, to nije slučaj. Ispostavilo se da SFA ne predviđa pojavu LES-a, iako može objasniti preostali dio spektra. Treba napomenuti da numeričko rješavanje vremenski zavisne Schroedingerove jednačine (TDSE) predviđa pojavu LES-a za date valne dužine. Međutim, zaključci o fizikalnom mehanizmu LES-a ne mogu se izvesti na osnovu rezultata dobijenih rješavanjem TDSE.

Slika 3. Poređenje 3D TDSE, KFR teorije i eksperimenta. Numeričko rješavanje 3D TDSE predviđa pojavu LES-a.

Možda je najvažnija odlika LES-a činjenica da se pojavljuje samo kada je lasersko polje linearno polarizovano i to za male uglove detekcije u odnosu na osu polarizacije laserskog polja. Ova činjenica ukazuje nam da je LES najvjerovatnije posljedica rasijanja elektrona na matičnom jonu. Numeričko rješavanje TDSE pokazuje da se LES dobija čak i kada je vrijeme trajanja laserskog pulsa jednako jednom optičkom ciklusu, što svakako ide u prilog pretpostavci da je LES posljedica rasijanja elektrona na matičnom jonu i to nakon vremena od polovine optičkog ciklusa kretanja u laserskom polju. Preostaje da se ispita ispravnost ove tvrdnje.

I, kao zaključak, može se navesti da i nakon više od 30 godina intenzivnog izučavanja jonizacije atoma i molekula jakim laserskim poljima ne možemo reći da u potpunosti razumijemo fiziku procesa koji se odvijaju u jakim laserskim poljima. LES će vjerovatno u narednom periodu biti inspiracija kako eksperimentalcima tako i teoretičarima za dalji rad u oblasti fizike jakog polja.

Reference:

[1] L.V. Keldysh, Sov. Phys. JETP 20, 1945-1950 (1964).

[2] F.H. Faisal, J. Phys. B. 6. L89-L92 (1973).

[3] H.R. Reiss, Phys. Rev. A 22, 1786-1813 (1980).

[4] P.B. Corkum, Phys. Rev. Lett. 71, 1994-1997 (1993).

[5] Blaga et al., Nature Phys. 5, 335 (2009).

• Prethodna