O movimento de um elétron em um forte campo de laser infravermelho é rastreado em tempo real por meio de um novo método desenvolvido por físicos do MPIK e aplicado para confirmar a teoria da dinâmica quântica por pesquisadores cooperantes do MPI-PKS. A abordagem experimental vincula o espectro de absorção do pulso ultravioleta extremo ionizante ao movimento do elétron livre conduzido pelo pulso infravermelho próximo subsequente. Seu artigo foi publicado na revista Physical Review Letters.
Para este esquema experimental, a descrição clássica do movimento do elétron é justificada mesmo sendo um objeto quântico. No futuro, o novo método demonstrado aqui para o hélio pode ser aplicado a sistemas mais complexos, como átomos ou moléculas maiores para uma ampla gama de intensidades.
A geração de altas harmônicas, ou seja, a conversão da luz óptica ou infravermelha próxima (NIR) para o regime ultravioleta extremo (XUV), é fundamental para a física de campo forte, pois é um processo extremamente não linear. No famoso modelo de três etapas, o campo de luz motriz (1) ioniza o elétron por ionização de túnel, (2) acelera-o para longe e de volta ao núcleo iônico, onde o elétron (3) colide novamente e emite luz XUV se recombinar .
Em uma nova abordagem experimental no Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) em Heidelberg, os físicos da divisão de Thomas Pfeifer substituíram a primeira etapa por uma ionização de fóton único XUV, que tem uma vantagem dupla. Primeiro, pode-se escolher o tempo de ionização relativo à fase NIR. A ionização do túnel só aconteceria no máximo do campo. O pulso XUV extremamente curto tem apenas centenas de attossegundos de duração, fornecendo um início controlável e bem definido do relógio. Em segundo lugar, o laser NIR pode ser ajustado para baixas intensidades onde a ionização do túnel praticamente não é mais possível. Isso permite o estudo da recolisão de elétrons impulsionada por um campo forte em um caso limite de baixa intensidade.
A técnica utilizada aqui é a espectroscopia de absorção transiente attossegundo (Fig. 1) juntamente com a reconstrução do momento de dipolo dependente do tempo, que foi desenvolvido anteriormente no grupo em torno de Christian Ott para elétrons ligados. Aqui, esta técnica é estendida a elétrons livres e conecta o momento dipolar dependente do tempo com o movimento clássico (trajetórias) dos elétrons ionizados.
“Nosso novo método, aplicado ao hélio como um sistema modelo, vincula o espectro de absorção da luz ionizante às trajetórias dos elétrons”, explica o Ph.D. aluno Tobias Heldt. “Isso nos permite estudar a dinâmica ultrarrápida com uma única medição espectroscópica sem a necessidade de escanear um atraso de tempo para compor a dinâmica quadro a quadro.”
As medições mostram que, para alguns parâmetros experimentais, a probabilidade de conduzir o elétron de volta ao íon pode ser maior se a onda de luz não for polarizada linearmente, mas circularmente. Esta é uma descoberta contraintuitiva que, no entanto, foi prevista pelos teóricos. Simulações clássicas realizadas por Jonathan Dubois e Gabriel M. Lando no MPI-PKS em Dresden justificam esta interpretação, isto é, órbitas periódicas em colisão. A Fig. 2 ilustra uma trajetória clássica (verde) versus as mudanças na distribuição de probabilidade quântica dos pacotes de ondas de elétrons (fundo) emergentes do átomo após ionização pelo pulso XUV (violeta) e conduzidos pelo campo NIR (vermelho).
Cada vez que o elétron (re-) colide com o átomo de hélio (a linha verde intercepta a linha central branca), isso leva a uma modificação característica e aumento do dipolo atômico dependente do tempo (resultado da rápida oscilação vermelho-azul perto da linha central ), que pode ser captado por um experimento de espectroscopia de absorção attossegundo.
O líder do grupo, Christian Ott, está otimista sobre o potencial futuro dessa nova abordagem. “Em geral, nossa técnica permite explorar o movimento de elétrons acionados por laser em um novo regime de baixa intensidade e pode ser aplicado em vários sistemas, por exemplo, para estudar a dinâmica de elétrons acionados por laser em átomos ou moléculas maiores”.
Publicado em 18/05/2023 01h38
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