Аномальную ионизацию атомов объяснили резонансами
Физики провели численную симуляцию процесса ионизации атома водорода, находящегося в циркулярном состоянии, мощным лазерным импульсом. Они обнаружили аномальную зависимость вероятности ионизации от частоты света, которую объяснили резонансными процессами с участием нижележащего уровня. Исследование опубликовано в Physical Review A.
Атом водорода сегодня изучен лучше любой другой квантовой системы. В силу простоты своего устройства он стал отправной точкой для построения теорий и предсказания новых эффектов. По этой же причине он стал популярным объектом для экспериментов по измерению физических величин с рекордной точностью.
Недавно, однако, выяснилось, что при взаимодействии атома водорода с очень интенсивными лазерными полями характер происходящих с ним процессов может быть довольно сложным. В первую очередь это касается ионизации, которая, как оказалось, сильно зависит от магнитного квантового числа m электрона из-за возникновения резонансных эффектов. С другой стороны, возможность резонансного контроля ионизации позволит создавать спин-поляризованные электронные пучки, свойствами которых можно управлять на фемтосекундном масштабе (про одно из таких исследований мы уже писали), поэтому физики продолжают строить модели этих процессов.
Пэйсян Лу (Peixiang Lu) из Хуачжунского университета науки и технологии с коллегами решили подробнее изучить зависимость малофотонной ионизации от частоты лазера для циркулярных состояний атома водорода. Циркулярными называют состояния с максимально возможным значением магнитного квантового числа m для данного главного квантового числа n. Строго говоря, для атома водорода возможно всего два их варианта: m = n − 1 и m = − |n − 1|. Если облучать атом светом с круговой поляризацией, то направление вращения плотности электронного тока одного из циркулярных состояний совпадет с направлением вращения вектора электрического поля, а для другого они окажутся противоположны.
Физики численно решали зависящее от времени уравнение Шрёдингера для атома в обоих циркулярных состояниях с n = 3, облучаемого лазерным импульсом большой интенсивности. Они разлагали искомое решение по сферическим функциям с зависящей от времени радиальной частью, ограничиваясь сверху орбитальным квантовым числом l = 30. Строя зависимость вероятности ионизации от частоты света, они обнаружили ее неожиданное поведение в диапазоне, соответствующему поглощению двух фотонов. В частности, для состояния атома, чье вращение сонаправленно с вращением поля, авторы увидели сильный рост ионизации, в то время как для другого состояния ее вероятность монотонно убывала. Такой характер зависимости сохранялся в широком диапазоне интенсивностей света и длительностей импульсов.
Для понимания причин усиления и подавления ионизации на разных частотах, авторы детально исследовали эволюцию населенности уровней с другими квантовыми числами для обоих циркулярных состояний. Так, они выяснили, что рост вероятности ионизации для сонаправленного состояния объясняется резонансными переходами ни нижний уровень, который также участвует в ионизации. Вместе с тем подавление ионизации происходит из-за осцилляций Раби между начальным и нижним уровнем. Физики надеются, что выявленный ими механизм поможет лучше понять процессы, происходящие при ионизации с большим числом фотонов.
И хотя ионизацию атомов изучают уже больше века, с ней до сих пор не все ясно. Так, физики лишь недавно разобрались с тем, как в этом процессе распределяются импульсы фотонов и насколько важно учитывать при этом релятивизм.
Марат Хамадеев
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.