Nichtdipoleffekte und die Rolle des Photonenimpulses bei der Starkfeldionisation

• Antragsteller: Professor Dr. Reinhard Dörner
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431657260

Wie wird der Linearimpuls von absorbierten Photonen bei der Ionisation eines Atoms in einem Femtosekunden-Laserpuls auf die freigesetzten Elektronen und das Ion verteilt? Dieser scheinbar einfachen Frage wollen wir in diesem exp. Projekt nachgehen. In den vergangenen 2 Jahren erschien fast monatlich eine neue theoretische Arbeit zu diesem Themenkomplex, es gibt aber bisher nur wenige Experimente. Der Grund für dieses Missverhältnis von theoretischen Vorhersagen und exp. Ergebnissen ist, dass der Photonenimpuls verschwindend klein ist im Vergleich zu den für diese Prozesse typischen Impulsen der Elektronen und Ionen. Dies hat zur Folge, dass für solche Experimente eine extrem gute Kontrolle der systematischen Fehler nötig ist. Die Kontrolle können wir mit einem neuartigen experimentellen Zugang erreichen. In soeben zur Veröffentlichung eingereichten Vorarbeiten konnten wir zeigen, dass sich die nötige, aber bisher unerreichte Präzision mit einem neuen Typ eines COLTRIMS Reaktionsmikroskopes erstmalig erzielen lässt. Unser Experimentaufbau löst das Problem der systematischen Fehler durch eine Differenzmessung. Der Schlüssel ist dabei die Verwendung von zwei möglichen Lichtpfaden, auf denen die Laserpulse wahlweise einzeln oder gleichzeitig von entgegengesetzten Seiten auf das gleiche, sehr eng begrenzte Gasvolumen geschossen werden können. Damit gibt es für die Ionisation drei Szenarien: durch Laserpulse von einer oder der anderen Richtung oder durch eine stehende Welle. Für letztere Möglichkeit werden die Laserpulse von beiden Seiten gleichzeitig eingestrahlt, wodurch die Ionisation in einer stehenden Welle stattfindet und der Referenz-Nullpunkt für die Messung des Photonenimpulses definiert wird. Wenn man jetzt im Minutentakt zwischen diesen drei Szenarien hin- und herschaltet, kann man die wichtigsten Quellen für systematische Fehler eliminieren. Ziele im Einzelnen: Wir werden in diesem Projekt untersuchen, wie die Polarisation des Lichts sowie die Bindungs- und Kontinuumsenergie der Elektronen die Aufteilung des Photonenimpulses beeinflusst. Es wird auch untersucht, wie sich der Photonenimpuls verteilt, wenn mehrere Elektronen freigesetzt werden. Am Beispiel eines diatomaren Moleküls wollen wir weiterhin untersuchen, wie diese sogenannten „Nichtdipoleffekte“ von der Orientierung der Molekülachse abhängen. Der Einfluss der Molekülorientierung ist besonders interessant, da hier die Retardierung des elektrischen Feldes relevant ist, während die erwarteten Effekte für Atome nur vom magnetischen Feld abhängen. Zusammengefasst werden wir am Ende des Projektes beantwortet haben, wie der Photonenimpuls - resp. der Lichtdruck - die Impulsverteilungen von Elektronen und Ionen im wichtigsten und meist genutzten Intensitätsbereich der Starkfeldionisation (1013-1015W/cm2) beeinflusst. Die Experimente werden sowohl die Rolle der magnetischen Komponente des Lichtfeldes als auch der Retardierung des elektrischen Feldes in diesen Starkfeldprozessen aufklären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen