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| Fig. 1: Foto de la celda de gas para la generación de altos armónicos de pulsos de attosegundos ultravioleta de longitud de onda extremadamente corta. Fotografía: Max Hartmann, MPI für Kernphysik |
La medición de los procesos dinámicos más rápidos de la naturaleza suele basarse en la observación de la respuesta no lineal de un sistema a interacciones sincronizadas con precisión con estímulos externos. Esto suele requerir dos (o más) eventos controlados, con información resuelta en el tiempo obtenida mediante la variación controlable de los retardos entre impulsos.
Mediante una técnica innovadora creada por físicos del MPIK y utilizada para verificar la teoría de la dinámica cuántica por colaboradores del MPI-PKS, se sigue en tiempo real el movimiento de un electrón en un campo láser infrarrojo intenso. El método experimental conecta la movilidad del electrón libre provocada por el pulso infrarrojo cercano subsiguiente con el espectro de absorción del pulso ultravioleta extremo ionizante.
Aunque el electrón es un objeto cuántico, la descripción clásica de su movimiento es apropiada para nuestra técnica experimental.
La física de campo fuerte depende fundamentalmente de la generación de alta armónica, que convierte la luz óptica o infrarroja cercana (NIR) en el régimen ultravioleta extremo (XUV). En el conocido concepto de los tres pasos, el campo luminoso conductor (1) ioniza el electrón por ionización túnel, (2) lo acelera y lo devuelve al núcleo iónico, donde el electrón (3) se recoloca y emite luz XUV si se recombina.
En este estudio, los físicos sustituyeron el primer paso por una ionización XUV monofotónica, que tiene una doble ventaja: En primer lugar, se puede elegir el tiempo de ionización en relación con la fase NIR. En segundo lugar, el láser NIR puede ajustarse a intensidades bajas en las que la ionización túnel es prácticamente imposible. Esto nos permite estudiar la recolisión de electrones impulsada por campos fuertes en un caso límite de baja intensidad.
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| Fig. 2: Ilustración de la trayectoria clásica (verde) con múltiples recolisiones y cambios de los paquetes de ondas cuánticas (fondo rojo/azul) para un electrón impulsado por láser NIR (rojo) que emerge de la ionización XUV (violeta) del helio. Crédito: MPI für Kernphysik |
La espectroscopia de absorción transitoria de attosegundos, establecida previamente por un equipo dirigido por Christian Ott, para electrones ligados, es el método utilizado aquí, junto con la reconstrucción del momento dipolar dependiente del tiempo. Vincula el momento dipolar dependiente del tiempo con el movimiento clásico (trayectorias) de los electrones ionizados, en este caso, ampliando el enfoque a los electrones libres.
El nuevo método, aplicado al helio como sistema modelo, vincula el espectro de absorción de la luz ionizante con las trayectorias de los electrones. Esto nos permite estudiar la dinámica ultrarrápida con una única medición espectroscópica sin necesidad de escanear un retardo temporal para componer la dinámica fotograma a fotograma."
Los resultados de las mediciones indican que, dependiendo de la configuración experimental, la polarización circular de la onda luminosa puede aumentar la probabilidad de que el electrón regrese al ion. A pesar de parecer contraintuitivo, los teóricos habían anticipado este resultado.
Esta interpretación de las órbitas periódicas en recolisión también se justifica mediante simulaciones clásicas. Cada vez que el electrón (re)colisiona con el átomo de helio (la línea verde cruza la línea central blanca), se produce una modificación y un aumento característicos del dipolo atómico dependiente del tiempo (resultado de la rápida oscilación rojo-azul cerca de la línea central), que un experimento de absorción-espectroscopia de attosegundos puede captar.
El director del grupo, Christian Ott, se muestra optimista sobre el potencial futuro de este nuevo enfoque: "En general, nuestra técnica nos permite explorar el movimiento de los electrones impulsado por láser en un nuevo régimen de menor intensidad, y podría aplicarse más adelante en diversos sistemas, por ejemplo, para estudiar la dinámica de los electrones impulsada por láser dentro de átomos o moléculas más grandes".
Fuentes, créditos y referencias:
Tobias Heldt et al, Attosecond Real-Time Observation of Recolliding Electron Trajectories in Helium at Low Laser Intensities, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.183201
V. Stooß et al, Real-Time Reconstruction of the Strong-Field-Driven Dipole Response, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.173005