Los físicos rastrearon la colisión de electrones en tiempo real

La medición de los procesos dinámicos más rápidos en la naturaleza generalmente se basa en la observación de la respuesta no lineal de un sistema a interacciones cronometradas con precisión con estímulos externos. Esto normalmente requiere dos (o más) eventos controlados, con información resuelta en el tiempo obtenida variando los retrasos entre pulsos de manera controlada.

Usando una técnica innovadora creada por físicos en MPIK y utilizada para verificar la teoría de la dinámica cuántica por colaboradores en MPI-PKS, se rastrea en tiempo real el movimiento de un electrón en un campo láser infrarrojo fuerte. El método experimental relaciona la movilidad de los electrones libres causada por el siguiente pulso infrarrojo cercano con el espectro de absorción del pulso ultravioleta extremo ionizante.

Aunque el electrón es un objeto cuántico, la descripción clásica de su movimiento se adapta a nuestra técnica experimental.

La física de campos fuertes depende fundamentalmente de la generación de armónicos altos, que convierten la luz óptica o del infrarrojo cercano (NIR) al régimen ultravioleta extremo (XUV). En el conocido concepto de tres pasos, el campo de luz impulsora (1) ioniza el electrón mediante ionización en túnel, (2) lo acelera de regreso al núcleo de iones, donde el electrón (3) choca y emite luz XUV si se recombina.

En este estudio, los físicos reemplazaron el primer paso con la ionización XUV de fotón único, que tiene una doble ventaja: en primer lugar, se puede elegir el tiempo de ionización con respecto a la fase NIR. En segundo lugar, el láser NIR puede ajustarse a intensidades bajas donde la ionización de túnel es prácticamente imposible. Esto nos permite estudiar la recolisión electrónica de campo fuerte en un caso límite de baja intensidad.

La espectroscopia de absorción transitoria de attosegundos, implementada previamente por un equipo dirigido por Christian Ott, para electrones enlazados, es el método utilizado aquí, junto con la reconstrucción del momento dipolar dependiente del tiempo. Relaciona el momento dipolar dependiente del tiempo con el movimiento clásico (trayectorias) de los electrones ionizados, en este caso extendiendo el enfoque a los electrones libres.

El estudiante de doctorado Tobias Heldt dijo: “Nuestro 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 dinámicas ultrarrápidas con una sola medición espectroscópica sin demoras para componer la dinámica cuadro por cuadro.

Los resultados de la medición indican que, dependiendo de los parámetros experimentales, la polarización circular de la onda de luz puede aumentar la probabilidad de devolver el electrón al ion. Aunque parezca contraintuitivo, los teóricos habían anticipado este resultado.

Esta interpretación de órbitas periódicas en colisión también está justificada por simulaciones clásicas. Cada vez que un electrón (re) colisiona con el átomo de helio (la línea verde se cruza con la línea media blanca), conduce a un cambio característico y a un aumento en el dipolo atómico dependiente del tiempo (resultado de la rápida oscilación rojo-azul cerca de la línea central), que puede captar un experimento de espectroscopia de absorción de attosegundos.

Líder de grupo Christian Ott es optimista sobre el futuro potencial de este nuevo enfoque: «En general, nuestra técnica nos permite explorar el movimiento de los electrones impulsados ​​por láser en un régimen novedoso de menor intensidad, y podría aplicarse a varios sistemas, por ejemplo, para estudiar la dinámica de los electrones impulsados ​​por láser en átomos más grandes o moléculas.»

Referencia de la revista:

1. Tobias Heldt, Jonathan Dubois, et al. Observación de attosegundos en tiempo real de trayectorias de electrones en colisión en helio a bajas intensidades de láser. Cartas de examen físico 130, 183201 (2023). YO: 10.1103/PhysRev Lett.130.183201