[論文レビュー] Attosecond angular streaking and tunnelling time in atomic hydrogen

U. Satya Sainadh, Han Xu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 14

ひとこと要約

本研究は、実験的レーザーパラメータを用いた正確な3次元TDSEシミュレーションを用いて、原子水素における初のアトセカンド角ストリーク実験を実施した。測定されたオフセット角度とシミュレーションの間に良好な一致が得られ、水素におけるトンネル化が即時的（上限1.8 as）であると結論づけた。観察された角度オフセットは、トンネル化遅延ではなく、Coulomb散乱に起因するものである。

ABSTRACT

Tunnelling, one of the key features of quantum mechanics, ignited an ongoing debate about the value, meaning and interpretation of 'tunnelling time'. Until recently the debate was purely theoretical, with the process considered to be instantaneous for all practical purposes. This changed with the development of ultrafast lasers and in particular, the 'attoclock' technique that is used to probe the attosecond dynamics of electrons. Although the initial attoclock measurements hinted at instantaneous tunnelling, later experiments contradicted those findings, claiming to have measured finite tunnelling times. In each case these measurements were performed with multi-electron atoms. Atomic hydrogen (H), the simplest atomic system with a single electron, can be 'exactly' (subject only to numerical limitations) modelled using numerical solutions of the 3D-TDSE with measured experimental parameters and acts as a convenient benchmark for both accurate experimental measurements and calculations. Here we report the first attoclock experiment performed on H and find that our experimentally determined offset angles are in excellent agreement with accurate 3D-TDSE simulations performed using our experimental pulse parameters. The same simulations with a short-range Yukawa potential result in zero offset angles for all intensities. We conclude that the offset angle measured in the attoclock experiments originates entirely from electron scattering by the long-range Coulomb potential with no contribution from tunnelling time delay. That conclusion is supported by empirical observation that the electron offset angles follow closely the simple formula for the deflection angle of electrons undergoing classical Rutherford scattering by the Coulomb potential. Thus we confirm that, in H, tunnelling is instantaneous (with an upperbound of 1.8 as) within our experimental and numerical uncertainty.

研究の動機と目的

• ベンチマーク系を用いて、量子力学におけるトンネル化時間の長年の論争を解消すること。
• 最も単純な1電子原子たる原子水素における、初のアトセカンド角ストリーク実験を実施すること。
• トンネル化遅延がアトクロック測定における観測された電子角度オフセットに寄与するかどうかを検証すること。
• 測定されたレーザーパラメータを用いた正確な3次元TDSEシミュレーションと実験データを比較することで、理論的モデルを検証すること。
• アトクロック実験における電子オフセット角度の起源を特定すること—トンネル化遅延かCoulomb散乱か。

提案手法

• 数サイクルレーザーパルスを用いて、原子水素におけるアトセカンド角ストリーク実験を実施した。
• レーザー強度、偏光、パルス幅を実験的に測定したパラメータを用いて、3次元TDSEシミュレーションを実施した。
• 水素における電子ダイナミクスをモデル化するために、長距離Coulombポテンシャルを用いた。
• 長距離相互作用の役割を分離するために、シミュレーションでCoulombポテンシャルを短距離Yukawaポテンシャルに置き換えた。
• 実験的オフセット角度とシミュレーションを比較し、角度シフトの起源を評価した。
• 古典的Rutherford散乱式を用いて、実験およびシミュレーションデータと比較するための散乱角度を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子水素におけるトンネル化は、測定可能な遅延を示すのか、それとも即時的なのか？
• RQ2 アトクロック実験で観測された電子オフセット角度の起源は何か—トンネル化遅延かCoulomb散乱か？
• RQ3 測定されたレーザーパラメータを用いた3次元TDSEシミュレーションは、水素の実験的アトクロックデータを正確に再現できるか？
• RQ4 短距離ポテンシャル（Yukawa）を含めた場合、Coulombポテンシャルと比較して予測されるオフセット角度にどのような影響があるか？
• RQ5 古典的Rutherford散乱予測は、実験で観測された電子散乱角度とどの程度一致するか？

主な発見

• 実験的に測定された原子水素のオフセット角度は、Coulombポテンシャルを用いた3次元TDSEシミュレーションと良好に一致した。
• 短距離Yukawaポテンシャルを用いたシミュレーションでは、すべての強度でオフセット角度がゼロになると予測され、長距離Coulomb相互作用が観測された角度シフトに不可欠であることが示された。
• 測定されたオフセット角度は、古典的Rutherford散乱式に非常に良く一致しており、Coulomb散乱が角度オフセットの主な原因であることが確認された。
• データは、水素におけるトンネル化遅延が有意に寄与しないことを排除しており、その遅延の上限は1.8 asであった。
• 結果は、実験的および数値的不確実性の範囲内で、水素におけるトンネル化が実質的に即時的であるという結論を支持している。