[논문 리뷰] Attosecond angular streaking and tunnelling time in atomic hydrogen

U. Satya Sainadh, Han Xu외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 18.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 실험 레이저 파arameters를 사용한 정밀한 3D-TDSE 시뮬레이션을 통해 원자 수소에서 처음으로 야토세컨드 각도 스테이킹 실험을 수행한다. 측정된 오프셋 각도와 시뮬레이션 간에 뛰어난 일치를 보이며, 수소에서의 터널링은 즉각적임을 결론 내리며(상한: 1.8 as), 관측된 각도 오프셋은 터널링 지연이 아니라 순수하게 쿨롱 산산각이 기인함을 밝힌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기준 시스템을 사용하여 양자역학에서 터널링 시간에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해.
• 가장 단순한 단일 전자 원자인 원자 수소에서 처음으로 야토세컨드 각도 스테이킹 실험을 수행하기 위해.
• 터널링 시간 지연이 야토클락 측정에서 관측된 전자 각도 오프셋에 기여하는지 테스트하기 위해.
• 측정된 레이저 파aram터를 사용한 정확한 3D-TDSE 시뮬레이션과 실험 데이터를 비교하여 이론 모델을 검증하기 위해.
• 야토클락 실험에서 전자의 오프셋 각도의 기원을 밝히기 위해 — 터널링 지연인지 쿨롱 산산각인지.

제안 방법

• 단기 레이저 펄스를 사용하여 원자 수소에서 야토세컨드 각도 스테이킹 실험을 수행하였다.
• 강도, 편광도, 지속시간을 실험적으로 측정한 레이저 파aram터를 사용한 3D-TDSE 시뮬레이션을 수행하였다.
• 수소에서 전자의 역학을 모델링하기 위해 장거리 쿨롱 포텐셜을 사용하였다.
• 장거리 상호작용의 역할을 분리하기 위해 시뮬레이션에서 쿨롱 포텐셜을 단거리 요쿠다 포텐셜로 대체하였다.
• 실험적 오프셋 각도와 시뮬레이션을 비교하여 일치도를 평가하고 각도 이동의 기원을 추론하였다.
• 비교를 위해 고전적 루더퍼드 산산각 공식을 적용하여 굴절 각도를 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자 수소에서의 터널링은 측정 가능한 시간 지연을 보이며, 아니면 즉각적인가?
• RQ2 야토클락 실험에서 관측된 전자의 오프셋 각도의 기원은 무엇인가 — 터널링 지연인지 쿨롱 산산각인가?
• RQ3 측정된 레이저 파aram터를 사용한 3D-TDSE 시뮬레이션은 수소의 실험적 야토클락 데이터를 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ4 단거리 포텐셜(Yukawa)을 포함할 경우 쿨롱 포텐셜과 비교해 예측된 오프셋 각도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 고전적 루더퍼드 산산각 예측은 실험에서 관측된 전자 굴절 각도와 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 실험적으로 측정된 원자 수소의 오프셋 각도는 쿨롱 포텐셜을 사용한 3D-TDSE 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보였다.
• 단거리 요쿠다 포텐셜을 사용한 시뮬레이션은 모든 강도에서 오프셋 각도가 0임을 예측하여, 장거리 쿨롱 상호작용이 관측된 각도 이동에 필수적임을 나타냈다.
• 측정된 오프셋 각도는 고전적 루더퍼드 산산각 공식과 밀접하게 일치하여, 쿨롱 산산각이 각도 오프셋의 주요 기원임을 확인하였다.
• 데이터는 수소에서 터널링 지연 시간이 유의미한 기여를 하지 않음을 규명하였으며, 그러한 지연 시간의 상한은 1.8 as였다.
• 결과는 수소에서의 터널링이 실험적 및 수치적 불확도 범위 내에서 실질적으로 즉각적임을 지지한다.