Оптическое туннелирование электрона из атома может произойти мгновенно

Сочетание изначально численных экспериментов и теории показывает, что оптическое туннелирование электрона из атома может произойти мгновенно.

Как долго длится процесс поглощения атомом фотона и последующее испускание электрона? А что, если для ионизации требуется не один, а много фотонов? Сколько времени может занять поглощение нескольких фотонов? Эти вопросы лежат в основе аттосекундной спектроскопии, которая стремится разрешить движение электронов в естественном масштабе времени.

Ионизация в сильных ИК-полях часто происходит как туннелирование электронов через потенциальный барьер, созданный сочетанием атомного потенциала, который связывает электрон, и электрического поля лазерного импульса, который выбивает электрон из атома. Таким образом, неожиданно, аттосекундная спектроскопия оказалась перед почти вековым и спорным вопросом: как долго электрон преодолевает потенциальный барьер?

В работе Лизы Торлиной (Lisa Torlina) и др. этот вопрос изучается с помощью так называемой установки атточасы. Атточасы используют вращающееся электрическое поле лазерного импульса с круговой поляризацией в качестве стрелок. Один полный оборот этой стрелки длится один лазерный цикл, около 2,6 фс для экспериментов с 800 нм импульсами титано-сапфирового лазера. Вращаясь, электрическое поле создает туннель. Таким образом, электроны, преодолевающие туннель в разные моменты времени, будут двигаться в разных направлениях. Эта связь между временем и направлением движения электронов и позволяют атточасам измерить время. В каждых часах должно быть установлено время «ноль». В атточасах это делается с помощью очень короткого лазерного импульса, который длится только один-два цикла. Туннелирование происходит в маленьком окне, когда вращающееся электрическое поле проходит через максимум.

Далее, как и любые другие часы, то атточасы должны быть откалиброваны. Надо знать, как время эмиссии электрона – преодоление туннельного барьера – отображается на угол, при котором электрон обнаружен. Эта калибровка атточасов теперь выполнена Лизой Торлиной и ее коллегами без специальных для этого случая предположений о природе процесса ионизации или базовой физической картины.

Сочетая аналитическую теорию с точными численными экспериментами и откалиброванными атточасами, авторы могли, наконец, тщательно рассмотреть задержки при туннелировании электронов. Они пришли к удивительному ответу: эта задержка может быть равна нулю. По крайней мере, в области нерелятивистской квантовой механики туннелирование электронов из основного состояния атома водорода занимает нулевое время. Ситуация может измениться, однако, если этот электрон сталкивается с другими электронами на пути, что может стать важным в других атомах или молекулах. Взаимодействие между электронами может привести к задержкам.

Таким образом, атточасы обеспечивают уникальное окно не только в динамику туннельных переходов, но также в результаты взаимодействия различных электронов, участвующих в процессе ионизации, и как остающиеся в атоме электроны приспосабливаются к потере их товарища.

Времена ионизации (левая ось) реконструированы с использованием теории ARM из смещения углов (правая ось), полученного с помощью численного решения временного уравнения Шредингера. Красные круги являются численно рассчитанными смещениями углов, разделенными на частоту лазера, θ/ω. Синие треугольники показывают смещения углов с коррекцией в связи с вычитанием эффекта огибающей импульса, ti0 = θ/ω-|Δtienv (θ,ppeak)|. Зеленые перевернутые треугольники показывают кулоновской поправки ко времени ионизации, оцененные на пике распределения фотоэлектронов, |ΔtiC (θ,ppeak|. Оранжевые треугольники показывают время ионизации, полученное посредством применения процедуры реконструкции. С точки зрения рисунка, это просто результат вычитания зеленой кривой из синей кривой