[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种大规模量子主方程方法，用于模拟在超强、完全相干的X射线激光照射下，氖气中相干动力学的行为，同时考虑了相干激发和非相干衰变过程。结果表明，量子相干性通过拉比振荡和功率展宽抑制了多光子吸收，且在约10^18 W/cm²时单光子电离占主导地位，这挑战了高强度X射线实验中速率方程的假设。

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.

研究动机与目标

• 为在强相干X射线场作用下，复杂开放量子系统中相干动力学的系统性模拟方法提供支持。
• 克服传统速率方程的局限性，后者忽略了拉比振荡和功率展宽等相干效应。
• 研究量子相干性如何影响在超强X射线激光脉冲作用下的氖气中的激发、电离和衰变过程。
• 为具有强耗散和相干性的原子、分子及量子光学系统提供一个理论框架。
• 识别内壳层电子相干性的实验可观测信号，如共振荧光谱。

提出的方法

• 开发了一种大规模量子主方程方法，包含氖的1,000多个真实电子态。
• 同时模拟由X射线激光驱动的相干动力学和通过辐射发射、俄歇衰变及电子碰撞引起的非相干弛豫。
• 通过数值求解主方程，追踪密度矩阵元的时间演化，从而同时捕捉相干性和耗散性。
• 将结果与爱因斯坦速率方程方法进行比较，以分离出相干效应。
• 通过主方程形式自然地引入功率展宽效应，而速率方程中则缺失该效应。
• 使用具有指定强度（2.5×10¹⁷ W/cm²）和持续时间（10 fs）的高斯X射线脉冲进行模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超强X射线激光照射下，量子相干性如何影响氖中的多光子吸收？
• RQ2 与速率方程预测相比，拉比振荡和功率展宽在多大程度上抑制了电离？
• RQ3 在约10¹⁸ W/cm²的强度下，哪种电离机制——单光子或多光子——占主导地位？
• RQ4 哪些实验信号可以揭示氖中内壳层电子相干动力学？
• RQ5 包含相干性后，激发态和电离态的布居动力学如何改变？

主要发现

• 由于拉比振荡和功率展宽，相干性抑制了氖中的多光子吸收，这与速率方程预测相反。
• 由强X射线场引起的功率展宽（约1 eV）远大于俄歇衰变和自发辐射展宽（约0.1 eV）。
• 由于功率展宽，速率方程中出现的共振激发振荡结构在主方程结果中被平滑。
• 在约10¹⁸ W/cm²时，外层和内层电子的单光子电离占主导地位，无论是否考虑相干效应。
• 内层电子的拉比振荡频率约为10¹⁵ Hz，快于当前时间域探测能力，但共振荧光可能作为可观测信号。
• 主方程方法为研究复杂开放量子系统中的相干动力学提供了一个通用框架，超越了少能级模型的限制。