[論文レビュー] Tunneling Time in Ultrafast Science is Real and Probabilistic

Alexandra S. Landsman, M. Weger+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2013

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 45被引用数 90

ひとこと要約

本研究は、超高速物理学におけるトンネル時間に関する長年の論争を実験的に解決し、トンネル遅延が瞬時にではなく確率的であることを実証した。ヘリウム原子を用いた広い強度範囲におけるアトクロック測定により、フェニマン経路積分に基づくトンネル時間分布が実験データと最も一致し、アトセカンド科学における現在の仮定（電子ダイナミクスが明確な時刻に開始する）に疑問を呈する。

ABSTRACT

We compare the main competing theories of tunneling time against experimental measurements using the attoclock in strong laser field ionization of helium atoms. Refined attoclock measurements reveal a real and not instantaneous tunneling delay time over a large intensity regime, using two different experimental apparatus. Only two of the theoretical predictions are compatible within our experimental error: the Larmor time, and the probability distribution of tunneling times constructed using a Feynman Path Integral (FPI) formulation. The latter better matches the observed qualitative change in tunneling time over a wide intensity range, and predicts a broad tunneling time distribution with a long tail. The implication of such a probability distribution of tunneling times, as opposed to a distinct tunneling time, challenges how valence electron dynamics are currently reconstructed in attosecond science. It means that one must account for a significant uncertainty as to when the hole dynamics begin to evolve.

研究の動機と目的

• 強いレーザー場における電子トンネルが瞬時に起こるのか、測定可能な遅延を伴うのかという長年の論争を解決すること。
• アトクロック技術による高精度な実験データと対比して、相互に競合するトンネル時間理論モデルを検証すること。
• トンネル時間が超高速電子ダイナミクスにおいて明確に定義された値であるのか、確率分布であるのかを特定すること。
• 確率的トンネル時間の結果が、アトセカンド科学における価電子ダイナミクス再構築に与える影響を評価すること。

提案手法

• 強いレーザー場下でのヘリウム原子におけるトンネル時間測定のため、アトクロック技術を用いた。
• 二つの独立した実験装置を用いて、広い範囲のレーザー強度で精密な測定を実施した。
• Larmor時間およびフェニマン経路積分（FPI）形式を含む、複数の理論モデルの予測と実験結果を比較した。
• FPIアプローチから導かれたトンネル時間の確率分布を用いて、観測された遅延統計をモデル化した。
• さまざまなレーザー強度におけるトンネル時間の定性的および定量的挙動を分析した。
• 実験誤差範囲内でモデルの適合度を評価し、最も正確な理論的記述を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高速イオン化過程におけるトンネル時間は現実的なのか、それとも瞬時に起こるのか？
• RQ2 強い場イオン化において、どの理論的トンネル時間モデルが実験観測と最も一致するか？
• RQ3 トンネル時間が一意の決定論的値ではなく、確率分布を示すのか？
• RQ4 トンネル時間は広いレーザー強度範囲でどのように変化するか？
• RQ5 確率的トンネル時間がアトセカンド科学における電子ダイナミクス再構築に与える影響は何か？

主な発見

• 広い強度範囲における高精度なアトクロック測定により、トンネル遅延が瞬時にではなく実際に存在することが確認された。
• 実験データと誤差範囲内で一致する理論モデルは、Larmor時間とフェニマン経路積分（FPI）トンネル時間分布の2つに限られる。
• FPIに基づくトンネル時間の確率分布が、さまざまな強度で観測されたトンネル遅延の定性的な変化と最も一致した。
• FPIモデルは、長い尾を伴う広いトンネル時間分布を予測しており、実験観測と整合している。
• これらの発見は、アトセカンド科学における電子ダイナミクス再構築において、ホールダイナミクスの開始時刻に大きな不確実性が存在することを示唆する。
• 本研究は、現在の well-defined tunneling time を仮定する慣習に疑問を呈し、電子ダイナミクス再構築に確率的モデルを採用するよう提言する。