Фотоионизация водородоподобных атомов является фундаментальным процессом взаимодействия электромагнитного излучения с атомными системами. Она заключается в поглощении атомом фотона с энергией, превышающей энергию связи электрона на данной орбитали, что приводит к переходу электрона в континуум. Аттосекундная физика внесла радикально новые возможности в исследование этого процесса, позволив наблюдать динамику выбивания и движения электронов в реальном времени.
Ключевое значение здесь имеет то, что водородоподобные атомы (атомы с одним электроном, например, H, He⁺, Li²⁺) обладают максимально простой электронной структурой, что делает их идеальными тестовыми системами для проверки фундаментальных моделей и квантово-динамических расчетов.
Фотоионизация описывается уравнением Шрёдингера с учетом взаимодействия электрона с внешним электромагнитным полем. Волновая функция электрона эволюционирует во времени под действием возмущения вида:
H(t) = H0 + V(t),
где H0 — гамильтониан несмещённого атома, а V(t) = −E(t) ⋅ r — взаимодействие электрона с электрическим полем лазерного импульса в дипольном приближении.
Поглощение фотона приводит к переходу состояния электрона из дискретного уровня с энергией −En в непрерывный спектр с положительной энергией. В аттосекундной физике этот процесс рассматривается во временной области, где критическим параметром становится время задержки фотоэлектрона — интервал между моментом поглощения фотона и вылетом электрона.
Одним из ключевых достижений современной аттосекундной науки стало измерение задержек в фотоионизации с точностью до десятков аттосекунд. Эти задержки обусловлены:
В случае водородоподобных атомов интерпретация упрощается благодаря отсутствию электрон-электронных корреляций. Задержка здесь в основном определяется кулоновской фазой выходящего электрона.
Для исследования динамики фотоионизации применяются аттосекундные импульсы в диапазоне энергий от десятков до сотен электронвольт. Сценарий типичных экспериментов включает:
Метод streaking заключается в том, что наложенный ИК-поле сдвигает энергию фотоэлектронов в зависимости от момента их рождения, тем самым кодируя временную информацию в спектр электронов.
Распределение фотоэлектронов по энергиям и углам выхода несет информацию о временной динамике. Водородоподобные атомы дают особенно четкие и хорошо интерпретируемые спектры:
В рамках теории рассеяния это описывается через амплитуду фотоионизации:
f(k) ∝ ⟨ψk−|r ⋅ E|ψi⟩,
где ψk− — волновая функция электрона в континууме с кулоновской асимптотикой, ψi — начальное связанное состояние.
Аттосекундные методы позволяют реконструировать во временной области эволюцию электронного волнового пакета, формируемого в процессе фотоионизации. Такой пакет является суперпозицией кулоновских волн:
Ψ(t) = ∫a(k)e−iEkt/ℏψkdk.
Его пространственно-временная структура отражает как свойства исходного атома, так и взаимодействие с фотонным импульсом. Изучение таких пакетов позволило экспериментально наблюдать явление задержанной фотоэмиссии и фазовые сдвиги, предсказанные теорией.
Хотя водородоподобные атомы чаще всего исследуются в режиме однофотонной ионизации, при сверхсильных полях возможно развитие нелинейных процессов:
Эти явления позволяют использовать водородоподобные системы как эталон для проверки нелинейной динамики в сильных полях.
Изучение фотоионизации водородоподобных атомов играет роль эталонного эксперимента. Полученные данные служат:
Таким образом, динамика фотоионизации в водородоподобных атомах является краеугольным камнем всей аттосекундной физики, обеспечивая теоретическую ясность и экспериментальную проверяемость ключевых концепций.