Ologramma generato dal contributo multi-orbita dalla ionizzazione tunneling ad alto campo. Credito:Y. Zhang
Il moto degli elettroni negli atomi e nelle molecole è di fondamentale importanza per molti fisici, processi biologici e chimici. L'esplorazione della dinamica degli elettroni all'interno di atomi e molecole è essenziale per comprendere e manipolare questi fenomeni. La spettroscopia pump-probe è la tecnica convenzionale. Il Premio Nobel per la Chimica del 1999 fornisce un esempio ben noto in cui gli impulsi laser pompati a femtosecondi servivano a sondare il movimento atomico coinvolto nelle reazioni chimiche. Però, perché la scala temporale del movimento degli elettroni all'interno di atomi e molecole è dell'ordine degli attosecondi (10 -18 secondi) anziché femtosecondi (10 -15 secondi), impulsi ad attosecondi sono necessari per sondare il movimento degli elettroni. Con lo sviluppo della tecnologia ad attosecondi, sono diventati disponibili laser con durate di impulso inferiori a 100 attosecondi, fornendo opportunità per sondare e manipolare la dinamica degli elettroni in atomi e molecole.
Un altro metodo importante per sondare la dinamica degli elettroni si basa sulla ionizzazione tunneling ad alto campo. In questo metodo, un potente laser a femtosecondi viene impiegato per indurre la ionizzazione tunnel, un fenomeno quantomeccanico che fa sì che gli elettroni passino attraverso la barriera potenziale e fuoriescano dall'atomo o dalla molecola. Questo processo fornisce informazioni codificate da fotoelettroni sulla dinamica degli elettroni ultraveloci. Sulla base della relazione tra il tempo di ionizzazione e il momento finale del fotoelettrone ionizzato tunneling, la dinamica degli elettroni può essere osservata con risoluzione alla scala degli attosecondi.
La relazione tra il tempo di ionizzazione e il momento finale del fotoelettrone tunneling è stata stabilita teoricamente in termini di un modello di "orbita quantistica" e l'accuratezza della relazione è stata verificata sperimentalmente. Ma quali orbite quantistiche contribuiscono alla resa dei fotoelettroni nella ionizzazione tunneling a campo forte è rimasto un mistero, così come le diverse orbite corrispondono in modo diverso alla quantità di moto e ai tempi di ionizzazione. Così, identificare le orbite quantistiche è vitale per lo studio dei processi dinamici ultraveloci utilizzando la ionizzazione tunnel.
Una seconda armonica viene introdotta in un campo fondamentale forte per disturbare il processo di ionizzazione tunneling. Modificando la fase relativa del campo a due colori, la ionizzazione a effetto tunnel PEMD ad alto campo è perturbata dal campo SH. Monitorando e analizzando la relativa fase in cui la resa fotoelettronica massimizza, i ricercatori possono risolvere accuratamente le orbite quantistiche ad ogni momento. Credito:J. Tan, et al
Come riportato in Fotonica avanzata , i ricercatori della Huazhong University of Science and Technology (HUST) hanno proposto uno schema per identificare e pesare le orbite quantistiche nella ionizzazione tunnel a campo forte. Nel loro schema, viene introdotta una frequenza di seconda armonica (SH) per perturbare il processo di ionizzazione tunneling. La perturbazione SH è molto più debole del campo fondamentale, quindi non cambia il momento finale dell'elettrone che si sta spostando verso la ionizzazione. Però, può alterare significativamente la resa fotoelettronica, a causa della natura altamente non lineare della ionizzazione tunneling. A causa dei diversi tempi di ionizzazione, orbitali quantistici diversi hanno risposte diverse al campo SH interposto. Modificando la fase del campo SH rispetto al campo guida fondamentale e monitorando le risposte della resa del fotoelettrone, le orbite quantistiche degli elettroni ionizzati tunnel possono essere accuratamente identificate. Sulla base di questo schema, i misteri delle cosiddette orbite quantistiche "lunghe" e "corte" nella ionizzazione tunnel a campo forte possono essere risolti, e il loro contributo relativo alla resa del fotoelettrone ad ogni momento può essere accuratamente pesato. Questo è uno sviluppo molto importante per l'applicazione della ionizzazione a effetto tunnel ad alto campo come metodo di spettroscopia fotoelettronica.
Uno sforzo di squadra collaborativo guidato dagli studenti laureati HUST Jia Tan, sotto la supervisione del professor Yueming Zhou, insieme a Shengliang Xu e Xu Han, sotto la supervisione del professor Qingbin Zhang, lo studio indica che l'ologramma generato dal contributo multiorbitale dello spettro fotoelettronico può fornire preziose informazioni sulla fase dell'elettrone tunnellizzato. Il suo pacchetto d'onde codifica ricche informazioni sulla dinamica degli elettroni atomici e molecolari. Secondo Peixiang Lu, Professore HUST, vicedirettore del Laboratorio nazionale di optoelettronica di Wuhan, e autore senior dello studio, "La misurazione della risoluzione spaziale in attosecondi temporali e subangstrom della dinamica degli elettroni è resa possibile da questo nuovo schema per la risoluzione e la pesatura delle orbite quantistiche".
