Korrelierte Elektronendynamik auf der Attosekunden-Skala

Die Wechselwirkung zwischen Elektronen in Vielteilchensystemen, oft durch den Begriff der Elektronenkorrelation charakterisiert, spielt eine zentrale Rolle bei der Ausprägung grundlegender Eigenschaften von Materie. Diese reichen von der Leitfähigkeit und Magnetismus in Festkörpern bis zu chemischer Bindung von Molekülen. Im Unterschied zu solchen systematisch untersuchten statistischen Eigenschaften ist über den Einfluss von Elektronenkorrelationen auf dynamische Prozesse auf ultrakurzen Zeitskalen weit weniger bekannt und erst kürzlich experimentell zugänglich. Die charakteristischen Zeitkonstanten für die Elektronendynamik in Atomen, Molekülen und Festkörpern sind Attosekunden. Zeitauflösung auf dieser Zeitskala wurde durch experimentelle Fortschritte bei der Erzeugung und Charakterisierung von ultrakurzen Laserpulsen mit Frequenzen, die sich vom infraroten bis zum ultravioletten Spektralbereich erstrecken, möglich. Das Ziel dieses Projektes ist die theoretische Untersuchung des Einflusses von Elektronenkorrelationen auf die zeitaufgelöste Elektronenemission. Zwei prominent diskutierte Szenarien stehen dabei im Mittelpunkt: Die Photoemission nach der Absorption von einem bzw. zwei ultravioletten Photonen sowie die Tunnelionisation im starken infraroten Laserfeld. Insbesondere für den Tunnelprozess wird die Rolle von Korrelationen kontrovers diskutiert. Wir planen, den Einfluss von Korrelationseffekten auf die zeitliche Struktur und Verzögerung der Emission durch volle ab-initio Simulationen für Helium und H-, für die numerisch (nahezu) exakte Lösungen möglich sind, zu analysieren.

Elektronische dynamische Prozesse finden auf der ultraschnellen Zeitskala von Attosekunden statt. Mit den jüngsten Fortschritten bei der Entwicklung von Laser-basierten Pump-Probe-Abfragetechniken ist die Zeitauflösung von Elektronischen Bewegung im Bereich von Attosekunde zugänglich geworden. Die Untersuchung solcher elektronischen Attosekunden-Prozesse spielt eine wichtige Rolle bei der Überprüfung der grundlegenden quantenmechanischen Gesetze und kann zu Durchbrüchen im verständnis der zugrunde liegenden Physik auf der Ebene der mikroskopischen Welt führen. Zusammen mit verschiedenen theoretischen und experimentellen Gruppen haben wir die ultraschnelle elektronische Dynamik für einige typischen Szenarien theoretisch untersucht, insbesondere im Hinblick auf Elektronenkorrelationen. Ein interessantes Engebnis des vorliegenden Projekts ist die konzepttonelle Entwicklung eines Präzisions-Timing-Tools namens Zeptosekunden-Angular-Streak-Kamera (ZASC). Im Vergleich zu herkömmlichen Streak-Kamera, die elektronische Prozesse im bereich von Attosekunden auflösen kann, verbessert das ZASC die verfügbare State-of-the-Art-Präzision um zwei Größenordnungen, sodass erstmals noch schnellere dynamische Prozesse auf den Skala von Zeptosekunden in Reichweite kommen. Mit Einen solchen bislang noch nicht realisierter Zeitauflösung können neue zuvon noch nicht zügängliche dynamische Prozesse untersucht werden. Ein weiteres wichtiges Resultat ist die Identifikation einen engen Kopplung zwischen Energie- und Impulsaustausch bei Licht-Materie Wechsel wirkung. Photonen, aus denen Laserpulse bestehen, besitzen Energie und Impuls. Wenn ein Lichtimpuls mit Materie interagiert, findet sowohl ein Energie- als auch ein Impulsaustausch zwischen dem Licht und der Materie statt. Wir konnten zeigen, dass der Austausch von Energie und Impuls auf einer Zeitskala kleiner als die der Periode des Elektrischen Feldes eng mit ein ander verknüpft sind. Ohne eine solche Subzykluszeitauflösung bleibt eine solche Verknüpfung zwischen Energie- und Impulsaustausch verborgen. Dieses Beispiel unterstreicht die Bedeutung einer ultraschnellen zeitlichen Auflösung für die untersuchung mikroskopischer elektronischer Prozesse.