Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
In physics, tunnel ionization is a process in which electrons in an atom (or a molecule) tunnel through the potential barrier and escape from the atom (or molecule). In an intense electric field, the potential barrier of an atom (molecule) is distorted drastically. Therefore, as the length of the barrier that electrons have to pass decreases, the electrons can escape from the atom's potential more easily. Tunneling ionization is a quantum mechanical phenomenon since in the classical picture an electron does not have sufficient energy to overcome the potential barrier of the atom. When the atom is in a DC external field, the Coulomb potential barrier is lowered and the electron has an increased, non zero probability of tunnelling through the potential barrier. In the case of an alternating electric field, the direction of the electric field reverses after the half period of the field. The ionized electron may come back to its parent ion. The electron may recombine with the nucleus (nuclei) and its kinetic energy is released as light (high harmonic generation). If the recombination does not occur, further ionization may proceed by collision between high energy electrons and a parent atom (molecule). This process is known as non sequential ionization.
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.
The ionization rate of a hydrogen atom in an alternating electric field, like that of a laser, can be treated, in the appropriate limit, as the DC ionization rate averaged over a single period of the electric field's oscillation. Multiphoton and tunnel ionization of an atom or a molecule describes the same process by which a bounded electron, through the absorption of more than one photon from the laser field, is ionized. The difference between them is a matter of definition under different conditions. They can henceforth be called multiphoton ionization (MPI) whenever the distinction is not necessary. The dynamics of the MPI can be described by finding the time evolution of the state of the atom which is described by the Schrödinger equation. When the intensity of the laser is strong, the lowest order perturbation theory is not sufficient to describe the MPI process. In this case, the laser field on larger distances from the nucleus is more important than the Coulomb potential and the dynamic of the electron in the field should be properly taken into account. The first work in this category was published by Leonid Keldysh. He modeled the MPI process as a transition of the electron from the ground state of the atom to the Volkov states (the state of a free electron in the electromagnetic field). In this model, the perturbation of the ground state by the laser field is neglected and the details of atomic structure in determining the ionization probability are not taken into account. The major difficulty with Keldysh's model was its neglect of the effects of Coulomb interaction on the final state of the electron. As is observed from the figure, the Coulomb field is not very small in magnitude compared to the potential of the laser at larger distances from the nucleus. This is in contrast to the approximation made by neglecting the potential of the laser at regions near the nucleus. A. M. Perelomov, V. S. Popov and M. V. Terent'ev included the Coulomb interaction at larger internuclear distances. Their model (which is called the PPT model after their initials) was derived for short range potential and includes the effect of the long range Coulomb interaction through the first order correction in the quasi classical action. In the quasi static limit, the PPT model approaches the ADK model by M. V. Ammosov, N. B. Delone, and V. P. Krainov. Many experiments have been carried out on the MPI of rare gas atoms using strong laser pulses, through measuring both the total ion yield and the kinetic energy of the electrons. Here, one only considers the experiments designed to measure the total ion yield. Among these experiments are those by S. L. Chin et al., S. Augst et al. and T. Auguste et al. Chin et al. used a 10.6 μm CO2 laser in their experiment. Due to the very small frequency of the laser, the tunneling is strictly quasi static, a characteristic that is not easily attainable using pulses in the near infrared or visible region of frequencies. These findings weakened the suspicion on the applicability of models basically founded on the assumption of a structureless atom. S. Larochelle et al. have compared the theoretically predicted ion versus intensity curves of rare gas atoms interacting with a :Ti:sapphire laser with experimental measurement. They have shown that the total ionization rate predicted by the PPT model fits very well the experimental ion yields for all rare gases in the intermediate regime of Keldysh parameter.
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.
Contrary to the abundance of theoretical and experimental work on the MPI of rare gas atoms, the amount of research on the prediction of the rate of MPI of neutral molecules was scarce until recently. Walsh et al. have measured the MPI rate of some diatomic molecules interacting with a 10.6 CO2 laser. They found that these molecules are tunnel ionized as if they were structureless atoms with an ionization potential equivalent to that of the molecular ground state. A. Talebpour et al. were able to quantitatively fit the ionization yield of diatomic molecules interacting with a Ti:sapphire laser pulse. The conclusion of the work was that the MPI rate of a diatomic molecule can be predicted from the PPT model by assuming that the electron tunnels through a barrier given by instead of barrier which is used in the calculation of the MPI rate of atoms. The importance of this finding is in its practicality; the only parameter needed for predicting the MPI rate of a diatomic molecule is a single parameter, 1= Z \text{eff} Using the semi empirical model for the MPI rate of unsaturated hydrocarbons is feasible. This simplistic view ignores the ionization dependence on orientation of molecular axis with respect to polarization of the electric field of the laser, which is determined by the symmetries of the molecular orbitals. This dependence can be used to follow molecular dynamics using strong field multiphoton ionization.
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.
The question of how long a tunneling particle spends inside the barrier region has remained unresolved since the early days of quantum mechanics. It is sometimes suggested that the tunneling time is instantaneous because both the Keldysh and the closely related Buttiker Landauer times are imaginary (corresponding to the decay of the wavefunction under the barrier). In a recent publication the main competing theories of tunneling time are compared against experimental measurements using the attoclock in strong laser field ionization of helium atoms. Refined attoclock measurements reveal a real and not instantaneous tunneling delay time over a large intensity regime. It is found that the experimental results are compatible with the probability distribution of tunneling times constructed using a Feynman path integral (FPI) formulation. However, later work in atomic hydrogen has demonstrated that most of the tunneling time measured in the experiment is purely from the long range Coulomb force exerted by the ion core on the outgoing electron.