Holograma gerado pela contribuição de múltiplas órbitas da ionização de tunelamento de campo forte. Crédito:Y. Zhang
O movimento do elétron em átomos e moléculas é de fundamental importância para muitos aspectos físicos, processos biológicos e químicos. Explorar a dinâmica do elétron dentro de átomos e moléculas é essencial para compreender e manipular esses fenômenos. A espectroscopia bomba-sonda é a técnica convencional. O Prêmio Nobel de Química de 1999 fornece um exemplo bem conhecido em que pulsos de laser bombeados por femtossegundos serviram para sondar o movimento atômico envolvido nas reações químicas. Contudo, porque a escala de tempo do movimento do elétron dentro dos átomos e moléculas é da ordem dos attossegundos (10 -18 segundos) em vez de femtossegundos (10 -15 segundos), os pulsos de attossegundo são necessários para testar o movimento do elétron. Com o desenvolvimento da tecnologia attosecond, lasers com duração de pulso menor que 100 attossegundos tornaram-se disponíveis, fornecendo oportunidades para sondar e manipular a dinâmica do elétron em átomos e moléculas.
Outro método importante para sondar a dinâmica do elétron é baseado na ionização de tunelamento de campo forte. Neste método, um forte laser de femtossegundo é empregado para induzir a ionização de tunelamento, um fenômeno da mecânica quântica que faz com que os elétrons passem pela barreira de potencial e escapem do átomo ou molécula. Este processo fornece informações codificadas por fotoelétrons sobre a dinâmica do elétron ultrarrápida. Com base na relação entre o tempo de ionização e o momento final do fotoelétron ionizado de tunelamento, a dinâmica do elétron pode ser observada com resolução na escala de attossegundos.
A relação entre o tempo de ionização e o momento final do fotoelétron de tunelamento foi teoricamente estabelecida em termos de um modelo de "órbita quântica" e a precisão da relação foi verificada experimentalmente. Mas quais órbitas quânticas contribuem para o rendimento de fotoelétrons na ionização de tunelamento de campo forte permanece um mistério, bem como como as diferentes órbitas correspondem de maneira diferente aos tempos de momentum e ionização. Então, identificar as órbitas quânticas é vital para o estudo de processos dinâmicos ultrarrápidos usando a ionização por tunelamento.
Um segundo harmônico é introduzido em um campo fundamental forte para perturbar o processo de ionização de tunelamento. Ao alterar a fase relativa do campo de duas cores, a ionização de tunelamento de campo forte PEMD é perturbada pelo campo SH. Ao monitorar e analisar a fase relativa em que o rendimento do fotoelétron é maximizado, os pesquisadores podem resolver com precisão as órbitas quânticas em cada momento. Crédito:J. Tan, et al
Conforme relatado em Fotônica Avançada , pesquisadores da Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia (HUST) propuseram um esquema para identificar e pesar as órbitas quânticas na ionização de tunelamento de campo forte. Em seu esquema, uma segunda frequência harmônica (SH) é introduzida para perturbar o processo de ionização de tunelamento. A perturbação SH é muito mais fraca do que o campo fundamental, portanto, não altera o momento final do elétron que está se encaminhando para a ionização. Contudo, pode alterar significativamente o rendimento de fotoelétrons, devido à natureza altamente não linear da ionização por tunelamento. Por causa dos diferentes tempos de ionização, orbitais quânticos diferentes têm respostas diferentes para o campo SH interveniente. Alterando a fase do campo SH em relação ao campo de direção fundamental e monitorando as respostas do rendimento do fotoelétron, as órbitas quânticas dos elétrons ionizados em túnel podem ser identificadas com precisão. Com base neste esquema, os mistérios das chamadas órbitas quânticas "longas" e "curtas" na ionização de tunelamento de campo forte podem ser resolvidos, e sua contribuição relativa para o rendimento do fotoelétron em cada momento pode ser ponderada com precisão. Este é um desenvolvimento muito importante para a aplicação da ionização de tunelamento de campo forte como um método de espectroscopia de fotoelétrons.
Um esforço de equipe colaborativa liderado pelos alunos de pós-graduação da HUST, Jia Tan, sob a supervisão do Professor Yueming Zhou, junto com Shengliang Xu e Xu Han, sob a supervisão do Professor Qingbin Zhang, o estudo indica que o holograma gerado pela contribuição de múltiplas órbitas do espectro fotoeletrônico pode fornecer informações valiosas sobre a fase do elétron em túnel. Seu pacote de ondas codifica informações ricas sobre a dinâmica dos elétrons atômicos e moleculares. De acordo com Peixiang Lu, Professor HUST, vice-diretor do Laboratório Nacional de Wuhan para Optoeletrônica, e autor sênior do estudo, "A medição da resolução espacial do subangstrom temporal e do subangstrom da dinâmica do elétron tornou-se possível por este novo esquema para resolver e pesar as órbitas quânticas."
