Аттосекундная физика (аттофизика, а в более общем смысле — аттосекундная наука) — это раздел физики, который занимается явлениями взаимодействия света и материи, в котором аттосекундные (10−18 с) фотонные импульсы используются для раскрытия динамических процессов в материи с беспрецедентным временным разрешением.
Аттосекундная наука в основном использует методы спектроскопии «накачка-зонд» для исследования интересующего физического процесса. Из-за сложности этой области исследований обычно требуется синергетическое взаимодействие между современными экспериментальными инструментами и передовыми теоретическими инструментами для интерпретации данных, собранных в ходе аттосекундных экспериментов.
Основными областями интереса аттосекундной физики являются:
Атомная физика: исследование эффектов , задержки фотоэмиссии и туннелирования при ионизации. Молекулярная физика и молекулярная химия: роль электронного движения в молекулярных возбуждённых состояниях (например, процессы ), фрагментация, индуцированная светом, и процессы переноса электронов, индуцированные светом. Физика твёрдого тела: исследование динамики экситонов в современных 2D-материалах, петагерцовое движение носителей заряда в твёрдых телах, спиновая динамика в ферромагнитных материалах.
Одной из основных целей аттосекундной науки является раскрытие понимания квантовой динамики электронов в атомах, молекулах и твёрдых телах, а также долгосрочная задача достижения контроля над движением электронов в материи в реальном времени.
По состоянию на 2017 год мировой рекорд по самому короткому световому импульсу, генерируемому в эксперименте, составлял 43 аттосекунды.
В 2018 году Жерару Муру и Донне Стрикленд была присуждена Нобелевская премия по физике за разработку метода генерации ультракоротких лазерных импульсовGérard Mourou Nobel Lecture Passion for Extreme Light: for the greatest benefit to human kind Donna Strickland Nobel Lecture Generating High-Intensity Ultrashort Optical Pulses .
В 2022 году А. Л’Юилье, П. Коркум и Ф. Краус были награждены премией Вольфа в области физики «за новаторский вклад в науку о сверхбыстрых лазерах и аттосекундную физику». За этим последовала Нобелевская премия по физике 2023 года, когда А. Л’Юилье, Ф. Краус и П. Агостини были награждены «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе».
Введение Появление широкополосных твёрдотельных лазеров на основе сапфира, легированного титаном (Ti:Sa) (1986 год), усиления чирпированных импульсов (CPA) (1988 год), спектрального уширения импульсов высокой энергии (например, газонаполненное полое волокно посредством фазовой самомодуляции) (1996 год), технологии управления зеркальной дисперсией (чирпированные зеркала) (1994 год) и стабилизации (2000 год) позволили создать изолированные аттосекундные световые импульсы (генерируемые в результате нелинейного процесса генерации гармоник высокого порядка в благородном газе) (2004—2006 годы), породили область аттосекундной науки.
Мотивация Естественным масштабом времени движения электронов в атомах, молекулах и твёрдых телах является аттосекунда (1 ас = 10−18 с), что следует прямо из законов квантовой механики.
Пусть квантовая частица находящуюся в суперпозиции состояний с энергией основного уровня и первого возбуждённого уровеня энергии :
где и — коэффициенты выбраны как квадратные корни из квантовой вероятности наблюдения частицы в соответствующем состоянии. Волновые функции
являются зависящими от времени основного и возбуждённое состояния соответственно, где — приведённая постоянная Планка.
Среднее значение общего эрмитова и симметричного оператора, , можно записать как , как следствие, временная эволюция этой наблюдаемой имеет вид:
Хотя первые два члена не зависят от времени, но третий — зависит. Это создаёт динамику наблюдаемой с характерным временем, , заданный .
Как следствие, для энергетических уровней в диапазоне 10 эВ, что является типичным диапазоном электронной энергии в веществе, характерное время динамики любой связанной физической наблюдаемой составляет примерно 400 ас.
Чтобы измерить временную эволюцию , нужно использовать контролируемый инструмент или процесс с ещё более короткой продолжительностью, который может взаимодействовать с этой динамикой.
Именно по этой причине аттосекундные световые импульсы используются для раскрытия физики сверхбыстрых явлений во временной области в несколько фемтосекунд и аттосекунд.
Генерация аттосекундных импульсов Для генерации бегущего импульса со сверхкороткой длительностью необходимы два ключевых элемента: полоса пропускания и центральная длина волны электромагнитной волны.
Согласно анализу Фурье (соотношение неопределённости), чем шире доступная спектральная полоса светового импульса, тем короче его продолжительность.
Однако существует нижний предел минимальной длительности, которую можно использовать для данной центральной длины волны импульса. Этот предел составляет один период колебаний волны.
Действительно, для импульса с центром в низкочастотной области, например инфракрасной (ИК) 800 нм, его минимальная продолжительность составляет около 2,67 фс, где — скорость света; тогда как для светового поля с центральной длиной волны в при 30 нм минимальная продолжительность составляет около 100 ас.
Таким образом, меньшая продолжительность времени требует использования более коротких длин волн с большей энергией, вплоть до области мягкого рентгеновского излучения (SXR).
По этой причине стандартные методы создания аттосекундных световых импульсов основаны на источниках излучения с широкой спектральной полосой пропускания и центральной длиной волны, расположенной в диапазоне XUV-SXR.
Наиболее распространёнными источниками, отвечающими этим требованиям, являются лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) и установки .
Физические наблюдения и эксперименты Как только станет доступен аттосекундный источник света, необходимо направить импульс на интересующий образец, а затем проследить его динамику.
Наиболее удобными экспериментальными наблюдаемыми для анализа динамики электронов в веществе являются:
Угловая асимметрия в распределении молекулярных по скоростям. Квантовый выход молекулярных фотофрагментов. спектра XUV-SXR. Спектр XUV-SXR при отражении. Распределение кинетической энергии фотоэлектронов.
Общая стратегия состоит в том, чтобы использовать схему «накачки-зонда», чтобы «отобразить» через одну из вышеупомянутых наблюдаемых сверхбыструю динамику, происходящую в исследуемом материале.
Эксперименты с аттосекундным импульсом «накачки-зонда» IR-XUV/SXR с несколькими фемтосекундными интервалами Например, в типичной экспериментальной установке «накачки-зонда» аттосекундный (XUV-SXR) импульс и мощные ( Вт/см2) низкочастотные инфракрасные импульсы длительностью от единиц до десятков фемтосекунд коллинеарно фокусируются на исследуемом образце.
В этот момент, изменяя задержку аттосекундного импульса, который может быть импульсом-накачкой или имульсом-зондом в зависимости от эксперимента, относительно ИК-импульса (зонда/накачки), регистрируется желаемая физическая наблюдаемая.
Следующая задача — интерпретировать собранные данные и получить фундаментальную информацию о скрытой динамике и квантовых процессах, происходящих в образце. Этого можно достичь с помощью передовых теоретических инструментов и численных расчётов.
Используя эту экспериментальную схему, можно исследовать несколько видов динамики электронов в атомах, молекулах и твёрдых телах; обычно светоиндуцированная динамика и неравновесные возбуждённые состояния в пределах аттосекундного временного разрешения.
Основы квантовой механики Аттосекундная физика обычно имеет дело с нерелятивистскими связанными частицами и использует электромагнитные поля умеренно высокой интенсивности ( Вт/см2).
Этот факт позволяет ограничить дискуссию на языке нерелятивистской и квантовой механики о взаимодействии света и вещества.
Атомы
Решение нестационарного уравнения Шрёдингера в электромагнитном поле Временная эволюция одной электронной волновой функции в атоме описывается уравнением Шрёдингера (в атомных единицах):
где гамильтониан взаимодействия света и вещества, , можно выразить, используя единицы длины, в дипольном приближении следующим образом:
где — кулоновский потенциал рассматриваемых атомов; — оператор импульса и положения соответственно; и — суммарное электрическое поле вблизи с атомом.
Формальное решение уравнения Шрёдингера даётся эволючионным уравнением:
где — волновая функция электрона в момент времени .
Это точное решение невозможно использовать практически для каких-либо практических целей.
Однако с помощью уравнений Дайсона можно доказать, что это решение также можно записать в виде
где
— гамильтониан без взаимодействия и
— гамильтониан взаимодействия.
Формальное решение уравнения (1.0), которое ранее было просто записано как уравнение (1.1), теперь можно рассматривать в уравнении (1.2) как суперпозицию различных квантовых путей (или квантовой траектории), каждый из которых имеет особое время взаимодействия с электрическим полем.
Другими словами, каждый квантовый путь характеризуется тремя этапами:
Начальная эволюция без электромагнитного поля, что описывается левой частью слагаемым в интеграле. Затем воздействие от электромагнитного поля, которое возбуждают электрон. Это событие происходит в произвольный момент времени, однозначно характеризующий квантовый путь в момент времени . Окончательная эволюция, обусловленная как полем, так и кулоновским потенциалом, определяемая формулой для .
Параллельно у вас также есть квантовый путь, который вообще не воспринимает поле, эта траектория обозначается правой частью уравнения (1.2).
Этот процесс полностью обратим во времени, то есть может происходить и в обратном порядке.
Уравнение (1.2) не так просто решается. Однако физики используют его как отправную точку для численных расчётов, более углубленных обсуждений или нескольких приближений.
Для задач взаимодействия в сильном поле, где может произойти ионизация, можно представить себе, что уравнение (1.2) в определённом состоянии континуума (состояние непрерывного спектра или свободное состояние) с импульсом , так что:
где — амплитуда вероятности найти в определённый момент времени , электрон в состояниях континуума .
Если эта амплитуда вероятности больше нуля, то говорят о фотоионизированом электроне.
Для большинства приложений второй член в (1.3) не рассматривается, и в обсуждениях используется только первый. Тогда
Уравнение (1.4) также известно как обращённая во времени амплитуда S-матрицы и даёт вероятность фотоионизации обычным изменяющимся во времени электрическим полем.
Приближение сильного поля (SFA) Приближение сильного поля (SFA), или теория Келдыша — Фейсаля — Рейсса, представляет собой физическую модель, созданную в 1964 году советским физиком Келдышем и в настоящее время используемую для описания поведения атомов (и молекул) в интенсивных лазерных полях.
SFA является исходной теорией для обсуждения как генерации гармоник высокого порядка, так и аттосекундного взаимодействия импульсов «накачки-зонда» с атомами.
Основное предположение, сделанное в SFA, состоит в том, что в динамике свободных электронов доминирует лазерное поле, а кулоновский потенциал рассматривается как незначительное возмущение.
Этот факт меняет форму уравнения (1.4)
где, — гамильтониан Волкова, выраженный здесь для простоты в единицах скорости с , — электромагнитный векторный потенциал.
На этом этапе, чтобы продолжить обсуждение на базовом уровне, давайте рассмотрим атом с одним энергетическим уровнем , энергия ионизации и заполнен одним электроном (приближение одного активного электрона).
Начальный момент динамики волновой функции можно рассматривать в момент времени , и можно предположить, что первоначально электрон находится в основном состоянии атома .
и
Более того, мы можем рассматривать состояния континуума как состояние плоских волн: .