Relativistische Multiphotonen-Prozesse in bichromatischen Laserfeldern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Eine rasante technologische Entwicklung hat dazu geführt, dass heute in vielen Laboren weltweit äußerst leistungsstarke Laser im optischen oder infraroten Bereich zur Verfügung stehen, deren enormen Strahlungsintensitäten Prozesse der relativistischen Quantenmechanik hervorrufen können. Insbesondere die laser-induzierte Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren ist in den letzten Jahren verstärkt ins Zentrum des Interesses gerückt. In diesem Projekt wurde die Paarerzeugung in zweifarbigen Laserfeldern mit theoretischen Methoden untersucht. Falls die Laserfrequenzen in einem kommensurablen Verhältnis zueinander stehen, können dabei quantenmechanische Zwei-Wege-Interferenzen auftreten. So kann es z.B. ununterscheidbar sein, ob zur Paarproduktion zwei Photonen aus der einen Lasermode oder vier Photonen der halben Frequenz aus der anderen Mode absorbiert worden sind. Für den Prozess der laserinduzierten Paarerzeugung an einem Atomkern wurde gezeigt, dass diese Quanteninterferenzen die Winkelverteilung der erzeugten Teilchen und auch die totale Produktionsrate beeinflussen. Je nachdem, ob die Interferenz einen konstruktiven oder destruktiven Charakter hat, wird die Rate vergrößert oder verkleinert. Damit ist – innerhalb gewisser Grenzen – eine kohärente Kontrolle der Paarproduktion über die relative Phase der zwei Lasermoden möglich. Falls die Laserfrequenzen hingegen ein inkommensurables Verhältnis besitzen, entfallen die Quanteninterferenzen. Jedoch beeinflusst die Zweifarbigkeit des Feldes auch hier die differentiellen und totalen Paarproduktionsraten durch Mischterme, die z.B. der simultanen Absorption eines Photons aus der ersten Mode und zweier Photonen aus der zweiten Mode entsprechen. Diese Zusatzterme sind immer positiv und führen zu einer Erhöhung der Raten. Ein Extremfall dieser Ratenerhöhung kann erreicht werden, wenn beide Frequenzen stark unterschiedliche Werte besitzen. Die Absorption eines oder mehrerer hochfrequenter Photonen aus der ersten Mode bei Anwesenheit der hochintensiven, aber niederfrequenten zweiten Mode ermöglicht einen effizienten Paarproduktionsmechanismus, der dynamische mit quasistatischen Eigenschaften verbindet. Das verwendete theoretische Modell erlaubt daneben die Beschreibung der Paarerzeugung in einem monochromatischen Laserfeld elliptischer Polarisation. Während die totale Paarproduktionsrate unter einer Variation der Elliptizität bei konstanter Feldintensität das erwartete Verhalten zeigt, findet man im Fall festgehaltener maximaler Feldamplitude überraschenderweise eine nicht-monotone Abhängigkeit von der Elliptizität. Eine experimentelle Untersuchung dieser theoretischen Vorhersagen im Verlauf der kommenden Dekade erscheint möglich. Sie würde unser Verständnis der Struktur des Quantenvakuums in starken äußeren Feldern weiter vertiefen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Interference effects in Bethe-Heitler pair creation in a bichromatic laser field Physical Review A 88, 022109 (2013)
S. Augustin und C. Müller
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevA.88.022109) - Nonlinear Bethe-Heitler pair creation in an intense two-mode laser field
S. Augustin und C. Müller
- Strongly enhanced pair production in combined high- and low-frequency laser fields
M. J. A. Jansen und C. Müller
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevA.88.052125)
