[논문 리뷰] Quantum coherence in the dynamical excitation, ionization, and decaying of neon gas induced by X-ray laser

Yongqiang Li, Cheng Gao외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 12.

Laser-Matter Interactions and Applications참고 문헌 66인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초강력이고 완전히 간섭 가능한 X선 레이저 조사 하에서 휘도 가스의 공명 동역학을 모델링하기 위해 대규모 양자 마스터 방정식 접근법을 개발한다. 이는 간섭 가능한 자극과 비간섭적인 붕괴 과정을 모두 포함한다. 연구는 양자 간섭이 라비 진동과 파워 브로드닝을 통해 다광자 흡수를 억제함을 보여주며, 약 10^18 W/cm²에서 단광자 이온화가 지배적임을 입증한다. 이는 고강도 X선 실험에서 비율 방정식의 가정을 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강력하고 간섭 가능한 X선 필드 하에서 복잡한 열린 양자 시스템의 간섭 동역학을 시뮬레이션하기 위한 체계적인 방법의 부족을 해결하기 위해.
• 기존의 비율 방정식이 라비 진동과 파워 브로드닝 같은 간섭 효과를 간과하는 한계를 극복하기 위해.
• 초강력 X선 레이저 펄스 하에서 네온 기체의 양자 간섭이 자극, 이온화 및 붕괴에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 강한 산산각과 간섭이 존재하는 원자, 분자 및 양자광학 시스템에 적용 가능한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.
• 내부 전자 껍질 간섭의 실험적으로 접근 가능한 서명, 예를 들어 공명 형광 스펙트럼을 식별하기 위해.

제안 방법

• 네온의 1,000개 이상의 진짜 전자 상태를 포함하는 대규모 양자 마스터 방정식 접근법을 개발한다.
• X선 레이저에 의해 유도되는 간섭 동역학과 자발 방출, 아우저 붕괴, 전자 충돌을 통한 비간섭적 회복을 동시에 모델링한다.
• 밀도 행렬 요소의 시간 진화를 추적하기 위해 마스터 방정식을 수치적으로 해결하여 간섭과 소산을 모두 포착한다.
• 간섭 효과를 분리하기 위해 아인슈타인의 비율 방정식 접근법과 결과를 비교한다.
• 비율 방정식에 존재하지 않는 마스터 방정식 형식을 통해 파워 브로드닝 효과를 자연스럽게 통합한다.
• 강도(2.5×10¹⁷ W/cm²)와 지속시간(10 fs)이 지정된 가우시안 X선 펄스를 사용하여 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초강력 X선 레이저 조사 하에서 네온에서 양자 간섭은 다광자 흡수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비율 방정식 예측과 비교할 때, 라비 진동과 파워 브로드닝은 이온화를 어느 정도 억제하는가?
• RQ3 약 10¹⁸ W/cm²의 강도에서 단광자 이온화와 다광자 이온화 중 어느 것이 지배적인가?
• RQ4 내부 전자 껍질 전자 간섭의 실험적 서명은 무엇인가?
• RQ5 간섭을 포함함으로써, 자극 및 이온화 상태의 분포 역학은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 비율 방정식 예측과는 반대로, 라비 진동과 파워 브로드닝으로 인해 간섭이 다광자 흡수를 억제한다.
• 강력한 X선 필드로 인한 파워 브로드닝(~1 eV)이 아우저 및 자발 방출 브로드닝(~0.1 eV)보다 지배적이다.
• 비율 방정식에서의 공명 자극에서의 진동 구조가 파워 브로드닝으로 인해 마스터 방정식 결과에서는 매끄럽게 평탄해진다.
• 내외부 전자 껍질의 단광자 이온화가 간섭 효과와 관계없이 약 10¹⁸ W/cm²에서 지배적이다.
• 내부 전자 껍질의 라비 진동은 약 10¹⁵ Hz로 발생하며, 현재의 시간 영역 검출 장치로는 측정하기 어려우나, 공명 형광은 관측 가능한 서명이 될 수 있다.
• 마스터 방정식 방법은 소수의 수준 모델을 넘어서, 복잡한 열린 양자 시스템에서의 간섭 동역학 연구를 위한 일반적 프레임워크를 제공한다.