[論文レビュー] Quantum coherence in the dynamical excitation, ionization, and decaying of neon gas induced by X-ray laser

Yongqiang Li, Cheng Gao+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 66被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、超高強度で完全に位相整合したX線レーザー放射下におけるネオンガス内のコherentなダイナミクスをモデル化する大規模な量子マスター方程式手法を開発した。この手法では、コherentな励起と非コherentな崩壊過程の両方を組み込んでいる。量子コherenveがRabi振動とパワー広がりによって多光子吸収を抑制することを示しており、~10^18 W/cm²の強度で単光子イオン化が支配的になると判明し、高強度X線実験におけるレート方程式の仮定に疑問を呈している。

ABSTRACT

We develop a large scale quantum master equation approach to describe dynamical processes of practical open quantum systems driven by both coherent and stochastic interactions by including more than one thousand true states of the systems, motivated by the development of highly bright and fully coherent lasers in the X-ray wavelength regime. The method combines the processes of coherent dynamics induced by the X-ray laser and incoherent relaxations due to spontaneous emissions, Auger decays, and electronic collisions. As examples, theoretical investigation of {\it real} coherent dynamics of inner-shell electrons of a neon gas, irradiated by a high-intensity X-ray laser with a full temporal coherence, is carried out with the approach. In contrast to the rate equation treatment, we find that coherence can suppress the multiphoton absorptions of a neon gas in the ultra-intense X-ray pulse, due to coherence-induced Rabi oscillations and power broadening effects. We study the influence of coherence on ionization processes of neon, and directly prove that sequential single-photon processes for both outer- and inner-shell electrons dominate the ionizations for the recently typical experiments with a laser intensity of $\approx10^{18}$ ${ m W/cm^2}$. We discuss possible experimental implementations such as signatures for coherent evolution of inner-shell electrons via resonance fluorescence processes. The approach can also be applied to many different practical open quantum systems in atomic, quantum optical, and cold matter systems, which are treated qualitatively by a few-level master equation model before.

研究の動機と目的

• 強力でコherentなX線場下における複雑なオープンな量子系のコherentなダイナミクスをシミュレートする体系的な手法の欠如に応えること。
• Rabi振動やパワー広がりといったコherence効果を無視する従来のレート方程式の限界を克服すること。
• 超高強度X線レーザーパルス下におけるネオンガス内の量子コherenceが励起、イオン化、崩壊に与える影響を調査すること。
• 強い散乱とコherenceを有する原子・分子・量子光学系に適用可能な理論的枠組みを提供すること。
• 内殻電子コherenceの実験的可視化に適したシグナル、例えば共鳴蛍光スペクトルを同定すること。

提案手法

• ネオンの1,000個を超える真の電子状態を含む大規模な量子マスター方程式アプローチを開発。
• X線レーザーによる駆動によるコherentなダイナミクスと、自発放射、アウェー衰え、電子衝突による非コherentな緩和を同時にモデル化。
• マスター方程式を数値的に解き、密度行列要素の時間発展を追跡することで、コherenceと散乱の両方を捉える。
• コherence効果を分離するために、アインシュタインのレート方程式アプローチと結果を比較。
• 従来のレート方程式に欠落しているが、マスター方程式形式により自然にパワー広がり効果を組み込む。
• シミュレーションに使用するガウス型X線パルスの強度（2.5×10¹⁷ W/cm²）とパルス幅（10 fs）を明示。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高強度X線レーザー放射下におけるネオンの多光子吸収に量子コherenceがどのように影響を与えるか？
• RQ2 Rabi振動とパワー広がりが、従来のレート方程式予測と比較してイオン化をどの程度抑制するか？
• RQ3 ~10¹⁸ W/cm²の強度で、単光子イオン化と多光子イオン化のどちらが支配的か？
• RQ4 内殻電子のコherentなダイナミクスを実験的に特定するためのシグナルは何か？
• RQ5 コherenceを含めることで、励起状態およびイオン化状態の分布ダイナミクスはどのように変化するか？

主な発見

• Rabi振動とパワー広がりによるコherenceが、従来のレート方程式の予測とは逆に、ネオンにおける多光子吸収を抑制することが判明。
• 強力なX線場によるパワー広がり（~1 eV）が、アウェーおよび自発放射崩壊の広がり（~0.1 eV）を上回る。
• 従来のレート方程式では見られる共鳴励起の振動的構造が、マスター方程式の結果ではパワー広がりによりなだらかに平滑化される。
• ~10¹⁸ W/cm²の強度で、コherence効果に関係なく、外殻および内殻電子の単光子イオン化が支配的である。
• 内殻電子のRabi振動周波数は~10¹⁵ Hzであり、現在の時間分解測定技術では検出不能であるが、共鳴蛍光は観測可能なシグナルとして有効である。
• マスター方程式手法は、少数準位モデルを超えた複雑なオープンな量子系におけるコherentなダイナミクスを研究する一般化された枠組みを提供する。