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    Imagem unificada de tempo e frequência de excitação atômica ultrarrápida em campos fortes

    Fig. 1:Rendimento de átomos excitados em função da intensidade do laser. A uma intensidade de laser de 200TW / cm², nas proximidades de um fechamento de canal de 6 fótons, um forte realce ressonante de um fator 100 é visível. Para os dados de argônio, a curva teórica também é exibida (curva tracejada vermelha), que está em excelente acordo com os dados experimentais. Crédito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

    A percepção de que a luz às vezes precisa ser tratada como uma onda eletromagnética e às vezes como uma corrente de quanta de energia chamada fótons é tão antiga quanto a física quântica. No caso da interação de fortes campos de laser com átomos, o dualismo encontra seu análogo nas imagens intuitivas usadas para explicar a ionização e a excitação:a imagem multifotônica e a imagem do tunelamento. Em um estudo experimental e teórico combinado sobre a excitação ultrarrápida de átomos em campos intensos de laser de pulso curto, os cientistas do Instituto Max Born conseguiram mostrar que as imagens intuitivas predominantes e aparentemente díspares geralmente usadas para descrever a interação de átomos com campos de laser intensos podem ser atribuídas a um único processo não linear. Além disso, eles mostram como as duas imagens podem ser unidas. O trabalho apareceu no jornal Cartas de revisão física e foi escolhida para ser uma sugestão dos Editores por sua particular importância, inovação e amplo apelo. Ao lado dos aspectos fundamentais, o trabalho abre novos caminhos para determinar as intensidades do laser com alta precisão e para controlar a população de Rydberg coerente pela intensidade do laser.

    Embora o parâmetro Keldysh, introduzido na década de 1960 pelo físico russo homônimo, distingue claramente a imagem multifotônica e a imagem do túnel, permaneceu uma questão em aberto, particularmente no campo de forte excitação de campo, como reconciliar as duas abordagens aparentemente opostas.

    Na imagem multifotônica, o caráter do fóton brilha como um realce ressonante no rendimento de excitação sempre que um múltiplo inteiro da energia do fóton coincide com a energia de excitação dos estados atômicos. Contudo, a energia dos estados atômicos é deslocada para cima com o aumento da intensidade do laser. Isso resulta em melhorias semelhantes a ressonantes no rendimento de excitação, mesmo na frequência fixa do laser (energia do fóton). Na verdade, o aprimoramento ocorre periodicamente, sempre que a mudança de energia corresponde a uma energia de fóton adicional (fechamento de canal).

    Na imagem de tunelamento, o campo de laser é considerado uma onda eletromagnética, onde apenas o campo elétrico oscilante é retido. A excitação pode ser vista como um processo, onde inicialmente o elétron ligado é liberado por um processo de tunelamento, quando o campo do laser atinge um ciclo máximo. Em muitos casos, o elétron não ganha energia de deriva suficiente do campo de laser para escapar do potencial de Coulomb do íon pai ao final do pulso de laser, o que levaria à ionização do átomo. Em vez de, ele permanece preso em um estado de Rydberg animado. Na imagem do tunelamento, não há espaço para ressonâncias na excitação, uma vez que o tunelamento prossegue em um campo elétrico quase estático, onde a frequência do laser é irrelevante.

    No estudo, o rendimento de excitação dos átomos de Ar e Ne em função da intensidade do laser foi medido diretamente pela primeira vez, cobrindo os regimes multifotônicos e de tunelamento. No regime multifotônico, foram observados aumentos ressonantes pronunciados no rendimento, particularmente nas proximidades do fechamento do canal, enquanto no regime de tunelamento nenhuma dessas ressonâncias apareceu. Contudo, aqui a excitação foi observada mesmo em um regime de intensidade que se encontra acima do limite para a ionização completa esperada.

    A solução numérica da equação de Schrödinger dependente do tempo para os átomos investigados em um campo de laser forte proporcionou excelente concordância da teoria com os dados experimentais em ambos os regimes. Uma análise mais detalhada revelou que ambas as imagens representam uma descrição complementar no domínio do tempo e da frequência do mesmo processo não linear. Se considerarmos a excitação no domínio do tempo, podemos assumir que os pacotes de ondas eletrônicas são criados periodicamente nos máximos do ciclo de campo. No regime multifotônico, pode-se mostrar que os pacotes de ondas são criados predominantemente próximos à intensidade máxima do pulso e, portanto, interferem construtivamente apenas se a intensidade estiver próxima ao fechamento de um canal. Com isso, o aumento regular no espectro de excitação resulta efetivamente apenas na separação da energia do fóton. No regime de tunelamento, os pacotes de ondas também são criados periodicamente nos máximos do ciclo de campo, Contudo, predominantemente na borda ascendente do pulso de laser que, por sua vez, leva a um padrão de interferência irregular e, conseqüentemente, a variações irregulares no espectro de excitação. Essas variações rápidas não são resolvidas no experimento e o espectro de excitação detectado é suave.

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