Физикам МГУ удалось впервые провести фотоионизацию положительно заряженного иона

P. Carpeggiani, E. Gryzlova et al. Complete reconstruction of bound and unbound electronic wavefunctions in two-photon double ionization // Nature Physics, 2018, DOI: http://www.doi.org/10.1038/s41567-018-0340-4

 

Международная команда ученых из Италии, Германии, России и Японии, впервые провела полный эксперимент по фотоионизации положительно заряженного иона. Фотоионизация характеризует взаимодействие излучения с веществом в крайней ультрафиолетовой и рентгеновской области спектра: квант света поглощается, и из системы вылетает электрон. По фундаментальным законам квантовой механики, волновую функцию вылетающего электрона можно разложить на несколько парциальных волн, амплитуды и относительные фазы которых необходимы для полного описания состояния вылетающего электрона. Волновая функция электронов остаточного иона подчиняется аналогичным фундаментальным законам. 

 

Полная характеристика процесса фотоионизации требует реконструкции волновых функций, как вылетающих, так и связанных электронов, взаимодействующих с внешним излучением. В работе проведена такая реконструкция в двухфотонном процессе двойной ионизации в атомах неона. Эксперимент проводился на лазере на свободных электронах FERMI (Триест, Италия) и использовал уникальные возможности FERMI, который может генерировать перестраиваемые по частоте и поляризации интенсивные ультракороткие импульсы в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. В эксперименте измерялись угловые распределения вылетающих электронов при круговой и линейной поляризации излучения. 

 

"Концепция полного эксперимента была сформулирована Я.А. Смородинским с соавторами 60 лет назад при анализе рассеяния нуклона на нуклоне в форме вопроса: Сколько экспериментов требуется для нахождения всех элементов матрицы рассеяния? Через 10 лет понятие полного эксперимента вошло в атомную физику и долго служило стимулом к исследованиям разнообразных элементарных атомно-молекулярных процессов. Действительно, выполнив полный эксперимент, можно по нескольким измеренным параметрам восстановить любую принципиально наблюдаемую в изучаемом процессе величину и проверить теорию в степени, максимально возможной для квантовой механики", — комментирует один из ведущих авторов исследования, ведущий научный сотрудник НИИ ядерной физики имени Д.В.Скобельцына МГУ Алексей Грум-Гржимайло.

 

"При этом теория определяет, а что, собственно, надо измерять для реализации полного эксперимента. Обычно полный эксперимент - это ряд экспериментов, проводимых в разное время в разных лабораториях и разными методами, результаты которых синтезируются в том самом наборе нескольких параметров, которые и являются целью полного эксперимента. Образно говоря, измерение одной отдельной величины – это наблюдение одной проекции, можно сказать, тени от процесса. Но тень может обмануть наблюдателя. Чтобы полностью восстановить объект, наблюдателю нужны разные проекции",— добавляет один из авторов эксперимента, старший научный сотрудник НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ Елена Грызлова.

 

"Для реализации полного эксперимента необходимы самые современные экспериментальные методы в сочетании с глубоким теоретическим анализом. В одном из обзоров 2003 г. по фотоионизации полный эксперимент был назван "Священным Граалем". В НИИЯФ МГУ реализацией полного эксперимента в ядерных реакциях в 1980-х годах активно занималась группа под руководством И.Б. Теплова и Н.С. Зеленской, а несколько позже в атомных процессах - группа под руководством В.В. Балашова. Новый импульс к развитию полного эксперимента в атомной физике был вызван созданием новых источников высокочастотного излучения, таких как лазеры на свободных электронах", — заключает Алексей Грум-Гржимайло. 

 

Высокая интенсивность FERMI позволяет атому последовательно поглощать два фотона с вылетом двух электронов, что приводит к образованию двукратно заряженных ионов. Параметры угловых зависимостей пиков в спектрах вылетающих электронов использовались для получения полной информации об амплитуде и относительной фазе выходящих парциальных волн и о волновых функциях электронов, оставшихся в ионе. Подход позволил провести полную реконструкцию волновых функций связанных и несвязанных электронов. Такой эксперимент пока доступен на единственном в мире источнике излучения и поэтому является уникальным. 

 

Ученые МГУ инициировали само исследование, разработали теоретическое обоснование полного эксперимента и выполнили численное моделирование. В работе также принимали участие сотрудники Миланского технического университета (Италия), Университета Тохоку (Япония), Тихоокеанского государственного университета (Хабаровск), Института фотоники и нанотехнологий (Италия), Фрайбургского университета (Германия), Берлинского технического университета (Германия), лаборатории синхротронного излучения ELETTRA (Италия) и международного мегасайнс центра "Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL)" (Германия).

 

Елена Владимировна Грызлова: gryzlova@gmail.com

Грум-Гржимайло Алексей Николаевич Грум-Гржимайло: algrgr1492@yahoo.com