Кіріспе

Физикада туннельдік иондану – атомдағы (немесе молекуладағы) электрондардың потенциалдық тосқауыл арқылы туннельдеу арқылы атомнан (немесе молекуладан) босап шығу процесі. Күшті электр өрісінде атомның (молекуланың) потенциалдық тосқауылы күрт бұрмаланады. Сондықтан, электрондардың өтуі тиіс тосқауылдың ұзындығы қысқарғанда, электрондар атомның потенциалынан оңайрақ босап шыға алады. Туннельдік иондану – кванттық механикалық құбылыс, себебі классикалық тұрғыдан электронның атомның потенциалдық тосқауылын жеңу үшін жеткілікті энергиясы жоқ. Атом тұрақты электр өрісінде болғанда Кулондық потенциалдық тосқауыл төмендейді және электронның потенциалдық тосқауыл арқылы туннельдеу мүмкіндігі артады. Көтерілмелі электр өрісінің жағдайында электр өрісінің бағыты өрістің жарты периодынан кейін өзгеріп, кері бағытқа бұрылады. Иондалған электрон өз туған ионына қайта оралуы мүмкін. Электрон ядромен (ядролармен) қайта бірігіп, оның кинетикалық энергиясы жарық түрінде шығарылады (жоғары гармоникалық генерация). Егер қайта бірігу орын алмаса, жоғары энергиялы электрондар мен туған атомның (молекуланың) арасындағы соқтығысу арқылы қосымша иондану процесі жүруі мүмкін. Бұл процесс тізбексіз иондану деп аталады.

Ауа-күй электр өрісі

Лазердегідей ауыспалы электр өрісінде сутек атомының иондалу жиілігі, тиісті жағдайда, электр өрісінің тербелісінің бір периодындағы орташа есеппен алынған тұрақты иондалу жиілігі ретінде қарастырылуы мүмкін. Атомның немесе молекуланың көп фотонды және туннельдік иондалуы – лазерлік өрістен бірден көп фотондарды жұтып алу арқылы шектелген электронның иондалуының бірдей процесін сипаттайды. Олардың арасындағы айырмашылық – түрлі жағдайлардағы анықтама мәселесі. Сондықтан, қажет болмаса, оларды көп фотонды иондау (МФИ) деп атауға болады. МФИ динамикасы атомның Шредингер теңдеуімен сипатталған күйінің уақыт бойынша өзгеруін табу арқылы сипатталады. Лазердің қарқындылығы жоғары болғанда, ең төменгі реттің бұзылу теориясы МФИ процесін сипаттау үшін жеткіліксіз. Мұндай жағдайда, ядродан алыс қашықтықтағы лазерлік өріс Кулондық потенциалдан маңыздырақ болады және өрістегі электронның динамикасын дұрыс ескеру қажет. Осы саладағы алғашқы жұмысты Леонид Келдыш жариялады. Ол МФИ процесін атомның негізгі күйінен Волков күйіне (электромагниттік өрістегі еркін электронның күйі) электронның өтуі ретінде модельдеді. Бұл модельде лазерлік өрістің негізгі күйге тигізетін әсері ескерілмейді және иондалу ықтималдығын анықтауда атомның құрылымының егжей-тегжейі назарға алынбайды. Келдыш моделінің басты қиындығы – электронның соңғы күйіне Кулондық өзара әрекеттесудің әсерін елемеуі. Суреттен көрініп тұрғандай, ядродан алыс қашықтықта Кулондық өріс лазерлік потенциалға қарағанда аз емес. Бұл ядроға жақын аймақтарда лазерлік потенциалды ескермеу арқылы жасалған жуықтауға қайшы келеді. А. М. Переломов, В. С. Попов және М. В. Терентьев Кулондық өзара әрекеттесуді ядроаралық үлкен қашықтықтарда ескерді. Олардың моделі (авторларының әріптерімен PPT моделі деп аталады) қысқа қашықтықтағы потенциал үшін туындыдалды және квазиклассикалық әрекеттегі бірінші реттік түзету арқылы ұзақ қашықтықтағы Кулондық өзара әрекеттесудің әсерін қамтиды. Квазистатикалық лимитте PPT моделі М. В. Аммосов, Н. Б. Делоне және В. П. Краиновтың ADK моделіне жақындасады. Сирек кездесетін газ атомдарының МФИ-сі бойынша көптеген тәжірибелер күшті лазерлік импульстерді пайдалану арқылы, жалпы иондық шығымды және электрондардың кинетикалық энергиясын өлшеу арқылы жүргізілді. Мұнда тек иондық шығымды өлшеуге бағытталған эксперименттер қарастырылады. Осы эксперименттердің арасында S. L. Chin және авторлар, S. Augst және авторлар, T. Auguste және авторлар жүргізген зерттеулер бар. Chin және авторлар тәжірибеде 10,6 мкм CO2 лазерін қолданды. Лазердің өте төмен жиілігіне байланысты туннельдеу қатаң квазистатикалық болып табылады, бұл сипаттама жақын инфрақызыл немесе көрінетін жиілік аймағындағы импульстерді пайдалану арқылы оңай қол жеткізілмейді. Бұл нәтижелер құрылымсыз атомдық болжамдарға негізделген модельдердің қолданылуына қатысты күдіктерді әлсіретті. S. Larochelle және авторлар :Ti:сапфир лазерімен әрекеттесетін сирек газ атомдарының теориялық болжамдалған иондық және интенсивтілік қисықтарын тәжірибелік өлшеулермен салыстырды. Олар PPT моделімен болжамдалған жалпы иондалу жиілігінің Келдыш параметрінің аралық режимінде барлық сирек газдар үшін тәжірибелік иондық шығымдарға өте жақсы сәйкес келетінін көрсетті.

Молекулалардың МДИ

Сирек кездесетін газ атомдарының КМЖ-сы (көп фотонды иондану) бойынша теориялық және тәжірибелік жұмыстардың көптігіне қарамастан, бейтарап молекулалардың КМЖ жылдамдығын болжау бойынша зерттеулер саны соңғы уақытқа дейін аз болды. Уолш және авторлар тобы 10,6 СО2 лазерімен әрекеттесетін кейбір екі атомды молекулалардың КМЖ жылдамдығын өлшеді. Олар бұл молекулалардың туннельдік иондануға ұшырайтынын, яғни олардың молекулалық негізгі күйге тең иондалу потенциалы бар құрылымсыз атомдар сияқты екенін анықтады. А. Талебпур және авторлар тобы Ти: сапфир лазер импульсімен әрекеттесетін екі атомды молекулалардың иондану шығымын сандық түрде сәйкестендіре алды. Жұмыстың қорытындысы бойынша, екі атомды молекуланың КМЖ жылдамдығын PPT моделі арқылы болжауға болады, бұл ретте электрон атомдардың КМЖ жылдамдығын есептеуде қолданылатын кедергі орнына, басқа кедергі арқылы туннельдейді деп есептелінеді. Бұл табысқа қол жеткізудің маңыздылығы оның практикалық қолданылуында; екі атомды молекуланың КМЖ-ын болжау үшін қажетті жалғыз параметр – 1 = Z\text{eff}. Толыққанды емес көмірсутектердің КМЖ жылдамдығын болжау үшін жартылай эмпирикалық модельді қолдану мүмкін. Бұл қарапайым көзқарас молекулалық орбитальдардың симметриясымен анықталатын лазердің электр өрісінің поляризациясына қатысты молекулалық осьтің бағытына ионданудың тәуелділігін ескермейді. Бұл тәуелділікті күшті өрістегі көп фотонды иондау арқылы молекулалық динамиканы қадағалау үшін пайдалануға болады.

Туннельдеу уақыты

Тосқауыл аймағында туннельдеуші бөлшектің қанша уақыт өткізетіні туралы мәселе кванттық механиканың алғашқы күндерінен бері шешілмеген күйде қалып отыр. Кейде туннельдеу уақыты тікелей нөлдік деп есептеледі, себебі Келдиш және оған жақын Бутикер-Ландауэр уақыттары да нақты емес (тосқауыл астындағы толқындық функцияның жойылуына сәйкес келеді). Жақында жарияланған зертмеде туннельдеу уақытының басты бәсекелес теориялары гелий атомдарының күшті лазерлік иондалуындағы ато-сағатты қолдану арқылы жүргізілген эксперименттік өлшемдермен салыстырылды. Жақсартылған ато-сағаттық өлшемдер кең ауқымды қарқындылық режимінде туннельдеудің нақты және тікелей емес уақытын көрсетеді. Эксперименттік нәтижелер Фейнман жол интегралы (FPI) арқылы құрастырылған туннельдеу уақытының ықтималдық таралуымен сәйкес екені анықталды. Дегенмен, атомдық сутегі бойынша кейінгі жұмыстар көрсеткендей, экспериментте өлшенген туннельдеу уақытының көп бөлігі ион ядросының шығып бара жатқан электронға әсер ететін ұзақ қашықтықтағы Кулон күшімен байланысты.