Сколько времени нужно атому, чтобы поглотить фотон и потерять электрон? А если для ионизации нужен не один, а много фотонов? Сколько времени потребуется для поглощения большого количества фотонов? Эти вопросы лежат в основе аттосекундной спектроскопии, которая стремится разрешить электронное движение в его естественном временном масштабе.
Ионизация в сильных инфракрасных полях часто рассматривается как туннелирование электронов через потенциальный барьер, созданный комбинацией атомного потенциала, который связывает электрон, и электрического поля лазерного импульса, отталкивающего электрон. Таким образом, аттосекундная спектроскопия неожиданно столкнулась с почти вековым и спорным вопросом: сколько времени нужно электрону, чтобы пройти через барьер?
В статье Торлина и др. Этот вопрос изучается с помощью так называемой установки атто-часов. Аттоклок использует вращающееся электрическое поле лазерного импульса с круговой поляризацией в качестве стрелки часов.
Один полный оборот этой стрелки занимает один лазерный цикл, около 2,6 фс для экспериментов с импульсом 800 нм Ti-сапфового лазера. По мере вращения электрического поля вращается туннельный барьер.
Таким образом, электроны, туннелирующие в разное время, будут туннелировать в разных направлениях. Эта связь между временем и направлением движения электронов позволяет аттоклоку измерять время. В каждых часах должен быть установлен нулевой отсчет времени. В аттоклоке это делается с помощью очень короткого лазерного импульса, который длится всего один-два цикла.
Туннелирование происходит в маленьком окне, где вращающееся электрическое поле проходит через свой максимум.Далее, как и любые другие часы, необходимо откалибровать аттоклок.
Необходимо знать, как время эмиссии электрона — его выхода из туннельного барьера — отображается на угол, под которым электрон обнаруживается. Эта калибровка аттоклока была выполнена Торлиной и др. Без каких-либо специальных предположений о природе процесса ионизации или лежащей в основе физической картине.
Объединив аналитическую теорию с точными численными экспериментами и откалибровав аттоклок, авторы наконец смогли внимательно изучить задержки в туннелировании электронов. Они приходят к удивительному ответу: эта задержка может быть равна нулю.
По крайней мере, в сфере нерелятивистской квантовой механики, туннелирование электрона из основного состояния атома водорода тратит нулевое время под туннельным барьером. Однако ситуация может измениться, если этот электрон встречает на своем пути другие электроны, что может стать важным для других атомов или молекул. Взаимодействие между электронами может приводить к задержкам.
Таким образом, аттоклок обеспечивает уникальное окно не только в динамику туннелирования, но и во взаимодействие различных электронов, участвующих в процессе ионизации, и то, как оставшиеся электроны адаптируются к потере своего товарища.