Attofizyka O oddziaywaniu ukadw atomw z krtkimi i

Attofizyka O oddziaływaniu układów atomów z krótkimi i silnymi impulsami lasera Jacek Matulewski e-mail: jacek@fizyka. umk. pl 10 listopada 2011

Attosekunda -18 10 atto

Zapowiedź • Skala czasu, wielkości i energii w attofizyce – rozwój nauki o procesach ultraszybkich – zwiększanie mocy laserów • • MPI, ATI, HHG, OTBI i inne zjawiska Generowanie impulsów attosekundowych Attosekundowa kamera smugowa Stabilizacja w silnych polach laserów attosek.

Attofizyka Relacja z lektury m. in. : • F. Krausz, M. Ivanov Attosecond physics Rev. Mod. Phys. 81, 163 (2009) • A. Scrinzi, M. Ivanov, R. Kienberger, D. M. Villenueve Attosecond physics J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 39, R 1 (2006) • P. B. Corkum, Zenghu Chang The Attosecond Revolution Optics and Photonics News, Październik 2008 • Strona: www. attoworld. de

Skala czasowa Zjawiska „attofizyczne” są na skali czasu tak samo odległe od codzienności, jak wielki wybuch Źródło: Jacek Matulewski, Wiedza i Życie, Nieskończenie długa sekunda, 05/2007

Mikroświat Źródło: Ferenc Krausz, Misha Ivanov, Rev. Mod. Phys. , Vol. 81, 2009 Atom: Laser: 1 j. a. czasu = 24 as = 2. 41· 10 -17 s 1 j. a. długości = 0. 53 Å = 5. 29177· 10 -11 m e 0 = 1 j. a. odpowiada I = 3. 51· 1016 W/cm 2 = 35. 1 PW/cm 2 w = 1 j. a. odpowiada l = 45 nm (XUV / X), T = 150 as

Ewolucja ultrafast science

Ultra silne pola zaburzenie

Ultra silne pola zaburzenie

Ultra silne pola konieczne podejście nieperturbacyjne Symulacje numeryczne ab initio

Ultra silne pola • Pole wewnętrzne atomu: e 0 = 1 a. u. (I 0 = 3. 51· 1016 W/cm 2) • Prawie wolny elektron (wpływ potencjału wiążącego to jedynie zaburzenie): e 0 równe co najmniej 5 - 10 a. u. • Natężenie pola obecnych laserów: I = PW/cm 2 = 1019 W/cm 2 - 1020 W/cm 2 (50 j. a. ) Lasery attosekundowe: I = 1016 W/cm 2 • Granica relatywistyczna…

Ultra silne pola Źródło: Reiss, Phys. Rev 63 013409 (2000)

Ultra silne pola • Granica relatywistyczna dla w = 1: e 0 = 15 a. u. Od tego natężenia należy uwzględniać wpływ pola magnetycznego (np. magn. dryf). • Granica od której konieczny opis w pełni relatywistyczny (r. Diraca) dla w = 1: >50 a. u. • Szybka inicjacja fuzji jądrowej (fast ignition of nuclear fusion): I 0 = 5· 1020 W/cm 2 (e 0 = 100 a. u. )

Ultra silne pola

Narodowy Zakład Zapłonu (NIF, LLNL) W Europie podobne projekty: Hi. PER (Węgry), LMJ (Francja), inny projekt w Czechach

Shorter, more intense. G Mourou, T Tajima Science 2011; 331: 41 -42 Published by AAAS

Optyka nieliniowa • Jonizacja i rekombinacja • Powrót: rekombinacja lub absorpcja dodatkowych fotonów • Moment jonizacji (narodziny) determinuje dynamikę elektronu • HHG i ATI

Optyka nieliniowa Jonizacja ponadprogowa (ATI) Rekombinacja promienista (RR) elektronu i emisja wyższej harmonicznej (HHG) Wybicie innego elektronu (NSDI niesekwencyjna podwójna jonizacja)

Jonizacja ponadprogowa (ATI) Widmo fotoelektronów

Wyższe harmoniczne (HHG) Rekombinacja promienista (RR) elektronu i emisja wyższej harmonicznej (HHG) 3. 17 Up

Wyższe harmoniczne (HHG) Jak liczyć HHG na komputerze? • Symulacje kwantowomechaniczne (TDSE) • Zależna od czasu funkcja falowa • Widmo dipolowe to transformata Fouriera oczekiwanego położenia elektronu:

Wyższe harmoniczne (HHG) • Już 1993 r. : 109 -ta harmoniczna 7. 5 nm, T = 25 as, w = 6 a. u. Źródło: J. J. Macklin et al. . Phys. Rev. Lett. , 70 (1993) 766

Stabilny laser femtosekundowy (widmo widzialne, np. w = 0. 1) w zjawisku generacji wyższych harmonik (HHG) tworzy serię impulsów lasera attosekundowego (widmo XUV/X, np. w = 1)

Kontrola kształtu fali lasera Kontrola impulsów laserów femtosekundowych CEP – carrier-envelope phase, CEO – CE offset Technika f-2 f (interferencja, dudnienie): Sprzężenie zwrotne z sygn. interferometru f-2 f Stabilność rzędu 200 mrad na dziesiątki minut Kontrolowana jest także amplituda i częstość powtarzania

Re-collision (backscattering) • Sposób produkcji impulsów attosekundowych (rekombinacja): makroskopowa ilość atomów oddziałuje ze skupionym promieniem lasera femtosekund • Potrzebna kontrola fazy (przebiegu) impulsów femtosekundowych • Różne języki – opis półklasyczny ( ) – opis kwantowy (fotony)

Moc lasera attosekundowego • Problem rozmiaru próbki (makroskopowa) • Phase matching: prędkość fazowa impulsów femto- i attosekundowego są takie same. Ponadto propagacja w tym samym kierunku • Stopniowo generowany impuls kumuluje się • W pewnym zakresie moc lasera zależy proporcjonalnie od ilość atomów

Attosecond puls train (APT) • Co okres rekombinacja => seria impulsów • Attosecond Pulse Train (APT) • Stabilność APT: te same parametry impulsów

Attosecond puls train (APT) • Co okres rekombinacja => seria impulsów • Attosecond Pulse Train (APT) • Stabilność APT: te same parametry impulsów • Podobieństwo do laserów z synchr. modów Rüdriger Paschotta, Encyclopedia of Laser Physics and Technology (http: //www. rp-photonics. com/)

Attosecond puls train (APT) • Co okres rekombinacja => seria impulsów • Attosecond Pulse Train (APT) • Stabilność APT: te same parametry impulsów • Podobieństwo do laserów z synchr. modów • Problemem jest uzyskanie jednego impulsu: – Użycie częstości z pobliża odcięcia widma HHG – Późniejsze izolowanie piku (polaryzacja) – Duża szerokość widma jednego impulsu!!

Charakterystyka krótkich impulsów • Google: ang. few-cycle laser pulses • Problem z szerokością widma (XUV/X-Ray) • Załamanie „lasera monochromatyczny”

Kamera smugowa „klasyczna” Źródło: Ferenc Krausz, Misha Ivanov, Rev. Mod. Phys. , Vol. 81, 2009

Kamera smugowa „attosekundowa”

Kamera smugowa • Co obserwujemy? Sam impuls attosekundowy lub pole, które jest efektem jego interakcji z gazem atomowym • Laser femtosekundowy jest na tyle słaby, że nie bierze udziału w procesach fizycznych, które są obserwowane – tylko „odbiera” elektrony i odchyla ich tor (czas => przestrz. )

Metoda ultraszybkich pomiarów • Bramkowanie (gating) Pole elektryczne Mierzony sygnał Bramka czasowa np. Frequency-Resolved Optical Gating (FROG)

Metoda ultraszybkich pomiarów • Bramkowanie (gating) Pole elektryczne Mierzony sygnał Bramka czasowa Complete Reconstruction of Attosecond Bursts (CRAB) Rozkład uwalniania elektronów Bramka czasowa

Metoda ultraszybkich pomiarów • Interferometria widmowa Spectral Phase Interferometry for Direct Electric field Reconstruction (SPIDER) Transformata Fouriera impulsu lasera Kopia z przesuniętym odrobinę widmem i opóźnieniem Z tego fazę f(w), a(w) – niezależnie: dostaniemy a(t)

Metoda ultraszybkich pomiarów Badanie korelacji impulsu attosekundowego i femtosekundowego. Oba oświetlają atomowy gaz, tak jak w kamerze smugowej, z którego impuls attosekundowy uwalnia elektrony. Impuls femtosekundowy użyty do pomiaru może być tym samym, który służył do wygenerowania impulsu attosekundowego. Reconstruction of Attosecond Beating by Interference of two-photon Transition (RABBIT) Tą metodą można poznać czasową strukturę pojedynczej sekwencji, ale nie obwiednię. Na to pozwala FROG/CRAB.

Kamera smugowa • Pierwszy pomiar przebiegu impulsu lasera Goulielmakis i in. Science 317 (2004)

Kamera smugowa • Pierwszy pomiar przebiegu impulsu lasera Goulielmakis i in. Science 317 (2004)

Kamera smugowa • Badania procesów biologicznych („filmowanie” zmian w białkach) • Badanie procesów chemicznych (również pomiary zależne od czasu) • Badanie ruchu atomów w molekułach • Zakusy do badania procesów atomowych

Przyszłe zastosowania (? ? ) • Obrazowanie procesów atomowych (4 D) • Sterowanie procesami atomowymi (ruchem elektronu w układach atomowych) - inżynieria attosekundowa • Przechowywanie informacji w atomach • Szybka inicjacja fuzji jądrowej (trzeba dostarczyć 10 k. J do rdzenia w 10 ps)

Zjawisko stabilizacji jonizacji w ultra-silnych polach lasera attosekundowego (e 0 = 1 -5 j. a. , w = 1 j. a. )

Ultra silne pola - stabilizacja Zależne od od czasu równanie Schrödingera (laboratoryjny (potencjał jawnie układzależy współrzędnych) od czasu) Zastępujemy zależny od czasu potencjał przez potencjał KH (zerowy element rozw. Fouriera): Stabilizacja jako dynamiczna lokalizacja pakietu falowego

Stabilizacja w jonizacji Jonizacja: wpływ osobliwości w 1 D

Stabilizacja w jonizacji Dynamika w różnych skalach czasowych: Sekwencja jonizacji i rekombinacji Wolny dryf Trwała jonizacja

Stabilizacja w jonizacji Jonizacja: wpływ osobliwości w 3 D W 3 D: kluczowy jest kształt impulsu (niemożliwe jest jego modelowanie)

Stabilizacja w jonizacji Jonizacja: wymiar i detale potencjału

Stabilizacja w jonizacji Stabilizacja jako niemonotoniczność poziomu jonizacji od natężenie pola lasera Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w pobliżu studni (100 a. u. ) with dipole app. without dipole app. Ryabikin, Sergeev, Optics Express 417, 7 12 (2000)

Stabilizacja w jonizacji Magnetyczny dryf – wyjście poza przybliżenie dipolowe

„Stabilizacja” w rekombinacji odpowiednik stabilizacji dynamicznej po użyciu met. kompensacji wolnego dryfu

Symulacje numeryczne - CUDA Model karty graficznej Ilość rdzeni CUDA Częst. rdzeni [MHz] Teoretyczna wydajność (GFLOP), podwójna precyzja Teoretyczna wydajność (GFLOP), pojedyncza precyzja Fermi Ge. Force 8400 M GS 16 800 - 38. 4 Quadro FX 570 M 32 950 - Ge. Force GT 130 M 32 1500 Ge. Force GT 240 M 48 GF 8800 GTS 512 „Przyspieszenie” 1024 x 1024 pojed. precyzja 1024 x 1024 podwój. precyzja 2048 x 128 pojedyn. precyzja 2048 x 128 podwój. precyzja - 7. 89 - 8. 08 - 91. 2 - 24. 15 - 22. 44 - - 144 - 33. 28 - 32. 09 - 1210 - 174 - 39. 88 - 36. 76 - 128 1625 - 624 - 100. 45 - 82. 68 - Quadro 4000 256 950 243. 2 (? ) 486. 4 + 153. 39 42. 34 130. 30 39. 66 Quadro FX 5800 240 1296 311. 04 (? ) 933. 12 - 135. 88 26. 96 123. 75 30. 18 Ge. Force GTX 480 1401 672. 48 (? ) 1344. 96 + 313. 52 74. 95 244. 42 71. 58 Ge. Force GTX 580 512 1590 814. 08 (? ) 1581. 1 + 353. 28 85. 20 268. 16 80. 94 Implementacja z użyciem CUDA przygotowana przez Tomasza Dziubaka

Do zapamiętania: • Fizyka attosekundowa (lightwave electronics) to kontrola i pomiary procesów attosekundowych, zarówno strumienia elektronów, jak i fotonów (światła) • Potrzebna technologia femtosekundowa (kontrola amplitudy i fazy impulsów fs) • Kamera smugowa i attosekundowy FROG • Inny schemat: spektroskopia attosekundowa (rentgenowskie pump/probe) • Przyszła technologia „sterowania” elektronami