Elektronenkorrelationseffekte in lasergetriebenem Helium

Die Wechselwirkung von atomaren Systemen mit starken ultrakurzen Laserpulsen ist eine Herausforderung an die theoretische Physik. Insbesondere die Rolle der Wechselwirkung (Korrelation) zwischen den Elektronen ist in vielen Fällen nicht verstanden. Mit der Entwicklung von starken Femtosekunden-Lasern und der Verfügbarkeit von XUV-Pulsen im Attosekunden-Bereich haben sich Studien der Wechselwirkung von starken und kurzen Laserpulsen mit Materie zu einem schnell wachsenden Gebiet in der Physik entwickelt. Die Verwendung von Attosekunden-Pulsen ermöglicht den experimentellen Zugriff auf die Zeitskalen der Elektronenbewegung in Atomen, wodurch direkte zeitabhängige Studien von Korrelationseffekten möglich werden. In den geplanten theoretischen Untersuchungen widmen wir uns Helium. Für dieses Zwei-Elektronen-System sind volle numerische Simulationen der Wechselwirkung mit äußeren Feldern mit Hilfe von derzeit verfügbaren Super-Computern möglich. Wir schlagen vor, die folgenden Studien durchzuführen: i) Zwei-Photonen Doppel-Ionisation, wo vorläufige Ergebnisse zeigen, dass Korrelationseffekte für ultrakurze Pulse deutlich aufgelöst werden können. ii) "Pump- Probe" Szenarien, d.h. Simulationen von Anregung und Messung der Bewegung von Wellenpaketen in doppelt angeregten Zuständen mittels utrakurzer XUV-Pulse. iii) Messung angeregter Resonanzen mit Hilfe von Infrarotfeldern. Die Einzel-Ionisations-Ausbeute kann dabei sowohl über die Phasen der Zustände als als auch über den zeitabhängigen Aufbau der Fano-Resonanzen Aufschlüsse geben. iv) Zeitabhängige Aufnahmen von Shake-up- Zuständen durch kohärente Rückstreuung des ionisierten Elektrons an dem zurückbleibenden Ion durch ein zusätzliches Infrarotfeld. Die anhand des Helium-Atoms gewonnenen detaillierten Kenntnisse werden für komplexere Atome, wo ab initio Simulationen noch nicht machbar sind, von Bedeutung sein und sollen zur Entwicklung experimenteller Vorschläge für zeitabhängige Studien von Korrelationseffekten führen.

Während des letzten Jahrzehnts ist die Entwicklung der Laserquellen atemberaubend gewesen. Die kürzesten Laserpulse sind kürzer als die typische Zeit, die ein Elektron braucht, um den Atomkern zu umkreisen. Gleichzeitig sind die Laser so stark, dass sie die Elektronen direkt aus dem Atom herausziehen können. Die Entwicklung solcher Pulse hat eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten eröffnet, um Prozesse in Atomen zu initiieren und die Zeitabhängigkeit der Prozesse zu messen. In diesem Projekt haben wir große Computersimulationen durchgeführt, um Experimente, die die neuartigen Laserquellen verwenden, zu erklären und vorzuschlagen. Unsere größten Simulationen haben sich auf das Zwei-Elektronen-Atom Helium bezogen. In einem untersuchten Fall macht es einen großen Unterschied, ultra-kurze Pulse zu verwenden. Für lange Pulse verlassen die zwei Elektronen das Atom zu verschiedenen Zeiten während des Pulses. Hier spielt die Abstoßung zwischen den Elektronen nur eine untergeordnete Rolle. Die Richtung, in die das zweite Elektron das Atom verlässt, ist unabhängig von diejenigen des ersten Elektrons. Für ultra-kurze Pulse dagegen werden die Elektronen gezwungen, das Atom fast gleichzeitig zu verlassen. Dies bedeutet, dass sich die Elektronen einander beim Verlassen des Atoms abstoßen und somit das Atom in entgegengesetzte Richtungen hinter sich lassen. Das Beispiel zeigt, dass man durch Steuern der Länge des Pulses kontrollieren kann, wie entscheidend die Abstoßung zwischen den Elektronen für die Ergebnisse der Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Atom ist. Wir haben auch untersucht, was passiert, wenn man Atome mit Infrarot-Laserlicht, das aus zwei verschiedenen Farben besteht, beschießt. Hier spielt die relative Phase der beiden Farben eine entscheidende Rolle. Durch Einstellen der Phase kann man bestimmen, in welche Richtung das Elektron das Atom verlässt. In gegenwärtigen Experimenten kann die vollständig winkelaufgelöste Impulsverteilung gemessen werden. Solche zweidimensionale Verteilungen zeigen ein kompliziertes Interferenzmuster, dessen Form stark von der relativen Phase der zwei Farben abhängig ist. Unsere Ergebnisse zeigen, dass einige Strukturen im Interferenzmuster aus Prozessen herrühren, die auf einer Zeitskala, die viel kürzer als die Länge des Pulses ist, stattfinden. Daher kann man, durch sorgfältige Analyse der Interferenzmuster, Prozesse untersuchen, die viel schneller als die Länge des Laserpulses sind.