Фотоионизация в аттосекундной физике представляет собой один из
фундаментальных процессов взаимодействия ультракоротких импульсов света
с веществом. При взаимодействии электрона с сильным и/или когерентным
полем фотонного источника ключевую роль начинают играть
интерференционные явления, проявляющиеся в спектрах фотоэлектронов,
угловом распределении и временной динамике выхода электрона.
Рассмотрение интерференции в фотоионизации позволяет не только объяснить
ряд тонких эффектов, но и использовать их для диагностики атомных и
молекулярных систем на фундаментальном уровне.
Природа интерференции в
фотоионизации
Интерференция возникает в тех случаях, когда существует несколько
квантовомеханических путей, ведущих систему из исходного состояния в
одно и то же финальное. Для фотоионизации это может означать:
- несколько каналов поглощения фотонов (например,
один фотон высокой энергии или два фотона меньшей энергии, приводящие к
одинаковому конечному состоянию электрона),
- разные траектории электрона в поле лазера
(классически интерпретируемые как короткие и длинные траектории),
- суперпозицию атомных или молекулярных состояний,
приводящую к наложению амплитуд фотоэмиссии,
- многофотонные и надпороговые процессы, при которых
интерференция каналов поглощения разного числа фотонов создает
регулярные структуры в спектре.
Эти эффекты имеют квантовую природу и описываются когерентным
сложением амплитуд вероятности, а не простым суммированием
интенсивностей.
Интерференционные
структуры в спектрах фотоэлектронов
При надпороговой ионизации (above-threshold ionization, ATI) электрон
может поглотить больше фотонов, чем необходимо для выхода в непрерывный
спектр. В результате формируется серия ATI-пиков, разделённых энергией
кванта излучения.
- Квантовые гребёнки: регулярные ATI-пики могут
проявлять модуляции интенсивности, что связано с интерференцией
различных каналов возбуждения.
- Суперпозиция коротких и длинных траекторий:
электрон, вышедший в континуум, может вернуться в область ядра и снова
рассеяться, создавая дополнительный вклад в спектр. Интерференция этих
вкладов приводит к сложным осцилляциям в распределении
вероятностей.
- Временные биения: при возбуждении электрона
суперпозицией нескольких состояний в спектре фотоэлектронов могут
наблюдаться временные осцилляции, зависящие от задержки между
аттосекундным импульсом и вспомогательным лазерным полем.
Угловое
распределение и интерференция каналов
Фотоионизация всегда сопровождается формированием угловых
распределений электронов. Интерференционные эффекты здесь проявляются в
том, что:
- разные орбитальные каналы (s, p, d…) могут
приводить к одному и тому же финальному состоянию, а их амплитуды
интерферируют;
- при ионизации молекул направление электронной эмиссии зависит от
ориентации молекулы и создаёт интерференционные картины,
аналогичные дифракции на решётке;
- интерференция различных многофотонных путей приводит к асимметрии в
угловом распределении, особенно в присутствии двухцветных (например, ω и
2ω) полей.
Таким образом, измерение угловых распределений становится мощным
инструментом диагностики когерентных электронных динамик.
Временные интерференционные
эффекты
Использование аттосекундных импульсов позволяет фиксировать временные
масштабы фотоэмиссии, ранее недоступные. Интерференция здесь проявляется
в виде:
- интерференции между импульсами в аттосекундном
поезде: серия аттосекундных импульсов создаёт регулярные
модуляции в спектре фотоэлектронов, подобные интерференционной картине
от дифракционной решётки;
- биений между различными ионизационными каналами:
при возбуждении суперпозиции состояний временная эволюция их
относительной фазы приводит к осцилляциям интенсивности фотоэлектронных
сигналов;
- задержек в фотоэмиссии: интерференция временных
траекторий позволяет измерять задержки порядка десятков–сотен аттосекунд
между ионизацией из различных оболочек.
Интерференция в
молекулах и многоцентровые эффекты
В молекулярных системах интерференция играет ещё более богатую
роль:
- фотоэлектрон может испускаться с разных атомных центров молекулы, и
его волновые функции интерферируют, формируя дифракционную
картину, зависящую от геометрии молекулы;
- при изменении межъядерного расстояния (например, в процессе
колебаний) интерференционная картина динамически меняется, что позволяет
использовать фотоэлектроны как зонд молекулярной геометрии в
реальном времени;
- интерференция ионизационных амплитуд из разных электронных оболочек
молекулы даёт дополнительные структуры в спектрах.
Роль когерентности
источника и внешнего поля
Интерференционные эффекты в фотоионизации принципиально зависят от
степени когерентности источника:
- аттосекундные импульсы с высокой временной когерентностью
обеспечивают устойчивые интерференционные картины,
- комбинация с ИК-полем позволяет управлять фазой и амплитудой
каналов, что приводит к контролируемым интерференционным
биениям,
- при наличии шумовых или некогерентных источников интерференционные
картины размываются, что делает такие эффекты индикатором степени
когерентности импульса.
Интерференция как
инструмент диагностики
Интерференционные структуры в фотоионизации несут детальную
информацию о системе:
- фазовые сдвиги и задержки позволяют
реконструировать временную динамику электронов,
- угловые распределения дают сведения о симметрии и
пространственной локализации орбиталей,
- энергетические спектры с ATI-структурами раскрывают
нелинейные каналы взаимодействия с полем,
- многоцентровые интерференции в молекулах дают
доступ к геометрии и динамике межъядерных расстояний.
Таким образом, интерференция в фотоионизации является не просто
побочным эффектом, а фундаментальным инструментом для исследования
ультрабыстрых процессов на аттосекундных масштабах.