[論文レビュー] Effects of electronic correlation on the high harmonic generation in helium: a time-dependent configuration interaction singles vs time-dependent full configuration interaction study

Aleksander P. Woźniak, Michał Przybytek+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2022

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 143被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、ヘリウムにおける高次調波生成（HHG）に及ぼす電子相関の影響を評価するために、時間に依存する単一励起状態の配置相互作用（TD-CIS）と完全配置相互作用（TD-FCI）を比較している。実時間波動関数発展をガウス基底関数を用いて行い、連続状態を記述するための拡張を施した。その結果、動的電子相関を含めることでHHGスペクトルのプラトー強度の安定性が著しく向上することが示されたが、これは基底関数が非相関状態のカットオフ位置を適切に記述できる場合に限る。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the effects of full electronic correlation on the high harmonic generation in the helium atom subjected to laser pulses of extremely high intensity. To do this, we perform real-time propagations of the helium atom wavefunction using quantum chemistry methods coupled to Gaussian basis sets. The calculations are done within the real-time time-dependent configuration interaction framework, at two levels of theory: time-dependent configuration interation with single excitations (TD-CIS, uncorrelated method) and time-dependent full configuration interaction (TD-FCI, fully correlated method), and analyse obtained HHG spectra. The electronic wavefunction is expanded in Dunning basis sets supplemented with functions adapted to describing highly excited continuum states. We also compare the TD-CI results with grid-based propagations of the helium atom within the single-active-electron approximation. Our results show when including the dynamical electron correlation, a noticeable improvement to the description of HHG can be achieved, in terms of e.g. a more constant intensity in the lower energy part of the harmonic plateau. However, such effects can be captured only if the basis set used suffices to reproduce the most basic features, such as the HHG cutoff position, at the uncorrelated level of theory.

研究の動機と目的

• 強いレーザー場下におけるヘリウムの高次調波生成（HHG）における電子相関の役割を調査すること。
• HHGスペクトルの記述において、非相関のTD-CISと完全相関のTD-FCIの精度を比較すること。
• 完全相関の計算コストが、より優れた物理的記述によって正当化されるかどうかを評価すること。
• 相関レベルでの意味のあるHHG結果を得るための最小基底関数要件を特定すること。

提案手法

• ガウス基底関数を用いて、実時間における時間に依存する配置相互作用（TDDCI）波動関数発展を実行する。
• 2つの理論レベルを用いる：TD-CIS（非相関、単一励起のみ）とTD-FCI（完全相関、すべての励起を含む）。
• Dunning風の基底関数を用い、連続状態およびラジカル励起状態に特化した関数を追加する。
• 非相関アプローチの妥当性を検証するため、グリッドベースの単一励起電子（SAE）計算と結果を比較する。
• イオン化をシミュレートし、波動関数の反射を防ぐために複素吸収パラメータ（CAPs）を適用する。
• 時間に依存する電気双極子加速度からHHGスペクトルを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TD-FCIにおける完全な電子相関の取り入れは、TD-CISに比べてヘリウムのHHG記述を改善するか？
• RQ2 CI展開に二重励起状態を含めることで、調和プラトーの強度およびカットオフ位置にどのような影響を与えるか？
• RQ3 相関による物理的記述の向上は、十分に大きな基底関数が存在する場合にのみ達成可能か？
• RQ4 非相関レベルでの基底関数の制限が、相関レベルでの相関効果の恩恵をどの程度制限するか？
• RQ5 スペクトル形状およびカットオフに関して、単一励起電子モデルと比較して、本研究の結果はどのように異なるか？

主な発見

• TD-FCIを用いた動的電子相関の取り入れにより、TD-CISに比べてHHGプラトーの低エネルギー領域における強度がより安定的かつ一定に保たれる。
• プラトー構造の改善は、TD-CISレベルの基底関数がすでにHHGカットオフ位置を正しく再現している場合にのみ観察可能である。
• TD-FCIの結果は、特にプラトー領域において、グリッドベースのSAE計算結果とより良好な一致を示すが、TD-CISはそれより劣る。
• CI展開に二重励起状態を含めることで、強い場におけるイオン化および再結合における電子相関効果の記述が著しく向上する。
• 非相関レベルでの基底関数が十分に柔軟でなければならないため、相関レベルでの相関効果の向上が意味を持つ。
• 本研究は、基底関数の完全性が、高精度な相関法を用いてもHHGにおける相関効果を捉えるために前提条件であることを確認した。