[论文解读] Photoelectron emission via time and phase-tailored electromagnetic fields

Jonas Wätzel, Johannes Hahn+1 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2021

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 50被引用 1

一句话总结

本文展示了通过调节激光与THz脉冲组合的时域包络和空间相位结构，可精确控制光电子的能量和角分布。利用单激发电子模型中的时间非对称单周期脉冲和涡旋激光，量子动力学模拟表明电子发射的能量与方向可调，从而通过场工程实现对光电子能谱的完全控制。

ABSTRACT

The energy and the angular distributions of photoelectrons are shown to be tunable by choosing the time and the spatial phase structure of the driving fields. These conclusions are derived from quantum mechanical calculations done within a single-active electron model for an atomic target subjected to a combination of laser field and a time-asymmetric THz pulse and/or vortex-laser pulse with a spatially modulated phase of the wavefront.

研究动机与目标

• 研究时间非对称且空间结构化的电磁场如何控制原子中的光电子发射。
• 探讨载波包络相位与场不对称性在打破光电子谱正向-反向对称性中的作用。
• 考察具有轨道角动量的光学涡旋对电子发射动力学的影响。
• 展示通过调节场参数，可实现光电子能量与角分布的可调性。
• 为利用少周期激光与单向半周期THz脉冲组合实现光电子导引提供理论框架。

提出的方法

• 使用分裂步谱方法在一维和三维中数值求解含时薛定谔方程（TDSE）。
• 采用单激发电子（SAE）近似，并使用类似Kohn-Sham的势能（氩原子：v(x) = −1/√(c + x²)，c = 1.41）。
• 在含光学涡旋的三维模拟中采用径向势能 V(r) = −(1 + 5.4r + 11.6e−3.682r)/r。
• 通过最小耦合方式将激光与THz场的联合矢量势 A(r,t) 纳入：Ĥint(t) = A·p̂ + ½A²。
• 将波函数展开为球谐函数 Yℓ,m(Ωr)，并分别传播各ℓ,m通道的时间演化。
• 通过将最终波函数投影到散射态上，计算光离化微分截面（DCS）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过整形驱动场的时域包络来控制光电子的能量分布？
• RQ2 引入时间非对称半周期脉冲（HCP）对发射电子的角分布有何影响？
• RQ3 具有轨道角动量（2ℏ）的光学涡旋在多大程度上可影响光电子的方向性与能量？
• RQ4 载波包络相位（CEP）与场不对称性在打破光电子发射正向-反向对称性中起什么作用？
• RQ5 少周期激光与单向HCP的联合作用能否产生方向性明确且能量可调的电子发射？

主要发现

• 通过调节驱动场的时间与空间相位结构，光电子的能量与角分布可实现完全调控。
• 引入时间非对称半周期脉冲可打破光电子谱的正向-反向对称性，实现定向电子发射。
• 当少周期激光脉冲与单向HCP组合时，光电子谱在发射方向与能量上表现出强烈不对称性，且HCP的动量传递主导了动力学过程。
• 当使用具有2ℏ角动量的光学涡旋时，光电子发射表现出与涡旋拓扑荷数相关的显著角向模式。
• 模拟结果证实，通过调节HCP的延迟与振幅，可实现光电子能量在ATI谱平台区的连续调谐。
• 该方法可选择性激发终态中的特定角动量通道（ℓ, m），从而实现量子态选择性电子发射。