A sokfotonos folyamatoktól --- az ATTOSZEKUNDUMOS impulzusokig Farkas Győző MTA - WIGNER FK Kutatási tevékenységünk érdekes alkalmazását ismertetjük A fő tevékenység: a nagy intenzitású lézerimpulzusok kölcsönhatásai az anyag elektronjaival Leírás: Kvantum-elektrodinamika (QED) Cél: 1. A QED előrejelzéseinek igazolása 2. Felhasználások a gyakorlatban MTA – WIGNER FK

KIINDULÁSI ALAPOK : KFKI JÁNOSSY – FOTON KISÉRLETEK 1956 KÖRÜL A FÖLDALATTI AKNÁBAN CÉL : A FÉNY KETTŐS TERMÉSZETÉNEK VIZSGÁLATA KIS ( ~1 foton ) FÉNYINTENZITÁSOKNÁL HEISENBERG ELJÖTT KÍVÁNCSISÁGBÓL : A FIZIKA ALAPKÉRDÉSE EMLÉKEK: A KORABELI KUTATÁSI GONDOLKODÁS, LÉGKÖR, LABOROK, KUTATÓK SZELLEMÉNEK FELVILLANTÁSA : DVD

Lézerimpulzusok jellemzőinek alakulása az évek során 1960 70 80 90 2000 2010 KILOWATT MEGAWATT GIGAWATT TERAWATT PETAWATT EXAWATT 103 10-6 10-3 1018 1015 1012 109 106 10-18 10-15 10-12 10-9 millisec mikrosec attosec femtosec pikosec nanosec teljesítmény impulzus idő MTA – WIGNER FK

Fő jellegzetességek nagy lézerintenzitásokon LÉZER – ATOM ELEKTRON EMISSZIÓ FÉNY EMISSZIÓ ERŐS LÉZER IMPULZUS ATOM LÉZER – FÉM FÉNY EMISSZIÓ ELEKTRON EMISSZIÓ FÉM (arany) ERŐS LÉZER IMPULZUS LÉZER – ELEKTRON NAGY ENERGIÁJÚ GERJESZTETT ELEKTRON FÉNY EMISSZIÓ MTA – WIGNER FK ERŐS LÉZER IMPULZUS “SZABAD” ELEKTRON

Egyfotonos elektronemisszió Németh László : “Fényvillanyossági tünemény” Kisérlet : Hertz, Hallwachs, Lénárd Fülöp Elmélet : Einstein Emlékeztető: az Einsteini egyfotonos fotoeffektus jellemzői: Foton ħ Egyfotonos Einstein egyenlet: ħ = A + ½mv2 fény A – kilépési munka Kinetikus energia j  I (fotoáram  fényintenzitás)

LÉZER-TÚL NAGY ”PERTURBÁCIO” – KELDYSH – PARAMÉTER :

Sokfotonos Einstein egyenlet: Sokfotonos elektronemisszió A lézeres sokfotonos fotoeffektus jellemzői ( ħL << A ): Sokfotonos Einstein egyenlet: n ħ = A + ½mv2 Volkov szintek Kis intenzitás (perturbatív) Alapállapot A Sokfotonos emisszió j  In Elektron áram (log j) Lézer intenzitás (log I) Sokfotonos Alagút j  In j  e-a/E Alagút emisszion Nagy intenzitás (nem perturbatív) j  e-a/E Elektron energia (keV-ig) Elektronok száma ħ

Kölcsönhatás „szabad” elektronokkal Sokfotonos elektronszórás lézertérben: ħ E = E0 ± n ħ ħ E0 Elektron energiaspektrum Bremsstrahlung Inverz Bremsstrahlung LÉZER Elektron Potenciál MTA – SZFKI

FOTOEFFEKTUS BERENDEZÉS

AZ ELŐSZÖR HASZNÁLT LÉZERIMPULZUS  t 30 nanosec

Mode-Locking A megengedett modusok összecsatolása

KFKI KISÉRLETI EREDMÉNYEK KFKI LÉZERVONULATOK

Keszthelyi L. : gyors biológiai folyamat

LÉZER-TÚL NAGY ”PERTURBÁCIO” – KELDYSH – PARAMÉTER :

A többfotonos fotoeffektus és tunnel emisszió első kimutatása a KFKI-ban Jellegzetes mérési eredmények FÉMEK------ Au Ag ATOMOK ---------- Xe Kr

Mindezek első igazolása a KFKI-ban A többfotonos fotoeffektus első kimutatása fémeken Az optikai tunnelemisszió első kimutatása fémeken és atomokon Extrém nagy energiájú (keV) elektronok. Extrém rövid elektron impulzusok (időtartam < 10-12 sec (pikosec). Extrém széles spektrum ħ -val ismétlődő vonalakból. Extrém erős fotoáram-impulzusok (kiloamper/cm2). Alkalmazások: Elektron-injektoros lézerkatódok - nagy elektrongyorsítókban (Los Alamos) - szabadelektron lézerek katódja - Rövid: < 10-12 sec elektron csomagok, stb. Jelen alkalommal - mint példán - felvillantjuk, hogyan lehet ezen eredményeket egy adott feladat: attoszekundumos fényimpulzus megvalósítására és vizsgálatára felhasználni. MTA – SZFKI

Sokfotonos fényemisszió: Magasrendű harmonikusok keltése Első jelzés: Neugebauer, 1950 LÉZER IMPULZUS ATOM /FÉM Magasrendű Harmonikus nyalábok Fémek: wL, 2wL, ..., ~1000wL (Röntgenig) Atomok: wL, 3wL, ..., ~1000wL (Röntgenig) (páratlan: inverziós szimmetria) Kis intenzitások: perturbációs közelítés (Neugebauer T.) Nagy intenzitások: alagút jelenség („nagy dipólus”) Az elektron az alagúton kilépve 3• rezgési energiát vesz fel a lézertérből. 1 e2EL2 4 mw2 Atomi Potenciálgödör A x LÉZER A maximális harmonikus energia: 1 e2EL2 4 mw2 ħmax = A + 3 MTA – SZFKI

EMLÉKEZTETŐ: A Heisenberg-összefüggés: ΔE  Δt  ħ Hullámtani formája: Δω    1  t Δω ω Hullámcsomag (fényimpulzus) Rövid t impulzushosszat nagy Δω sávszélességgel nyerünk:  ~ 1 / Δω

ATTOSZEKUNDUMOS IMPULZUSOK KELETKEZÉSE (BUDAPEST KFKI) A kibocsájtott harmonikusok frekvencia-spektruma: E spektrum az attoszekundumos impulzusok alapja frekvencia Intenzitás k plateau 2L ~1000 L küszöb - Szokatlanul széles Dw ~1000 L - A komponenseket a lézertér fázisban kötve rezgeti - Összelebegés várható A periodikus frekvenciaspektrumból a Fourier-eljárás szerint időben L/2 szerint periodikus impulzusok sorozata következik, melyek időbeli hossza t ~ 1/Dw. Időbeli alakjuk: MTA – SZFKI

ATTOSECUNDUM ----- Első megfogalmazás a KFKI - ban ~ Követési távolságuk: TL/2 = fél lézer periódus. Félszélességük :  = 1/(2 N ωL); N=10-nél:   30·10-18 sec = 30 attosec. Az intenzitás: 1 µm2-re fókuszálva: 1015 W/cm2 (Petawatt/cm2)

Az attoszekundumos tartam szemléltetése Extrém rövid időtartam: elektron atommag 1 attosec (=1/140 Bohr-körülforgási idő) Térben: d  ct = 3·1010 cm/s · 10–18 s = 3·10-8 cm = 0.3 nanométer Az Attofizika találkozik a Nanofizikával !!! Új kísérleti eszköz az atom belső dinamikájának attoszekundumos időbeli, ill. nanométeres térbeli skálán történő felbontásához. MTA – SZFKI

Az attoszekundumos impulzusvonulatok kimutatása (KRÉTA) Eredmény Lézerszűrő Lézer + harmonikusok Késleltető féltükör He atomok Attosec vonulat He+ ionok Attoszekundumos sorozat Ionáram  I2HARM Másodrendű autokorreláció MTA – SZFKI

Az attoszekundumos impulzusvonulatok kimutatása (PÁRIZS) A lézer fázisát késleltetve az oldalsávok oszcillálnak kétszeres lézerperiódussal. 13. 15. 17. 19. HARMONIKUSOK oldalsáv ħwL Elektron energiák késleltetés [fs] oldalsáv relatív intenzitása ATOMOK HARMONIKUS GYENGE LÉZER ATOMOK ERŐS LÉZER A harmonikusok közötti fázisok stabilak, mérhető. 2. A harmonikusok amplitúdói mérhetők. 3. Így megszerkeszthető a négy harmonikus szintézisének időbeli képe. MTA – SZFKI

Egyes attoszekundumos impulzusok előállítása (Bécs) attosec Vonulat helyett egyetlen attosec impulzos lenne jobb. csúcs Hosszú lézerimpulzusnál már a csúcsintenzitás elérése előtt ionizálódnak („elfogynak”) az atomok: a lézer nem fejtheti ki csúcsteljesítményét. Megoldás (részleges): Gerjesztő lézer Ezért: rövid gerjesztő (ionizáló) lézerimpulzus-vonulat kell: A gyenge előimpulzusok nem tudnak ionizálni, az összes atomot a csúcsban lévő igen erős néhány impulzus ionizálja erősen nemlineárisan. Gerjesztő lézer A x 1 e2EL2 4 mw2 ħmax = A + 3 HARMONIKUSOK MTA – SZFKI

A harmonikus spektrum burkolója: Tükörrel kivágható folytonos Dwf sávszélesség felharmonikus rend Idő [as] Elektromos tér (rel.egys.) Intenzitás (rel.egys.) Dwf diszkrét Dwf = 1/100 Dwteljes folytonos tf ~ 100 tT ~ 100·10–18 ~ 10-16 = 100 Attosec Rövid gerjesztő lézerimpulzussal egyetlen t ~ 100 Attosec időtartamú impulzus állítható elő. 100 Attosec Egyetlen (többszáz attosec) impulzus. MTA – SZFKI

Egyetlen attosec-impulzus mérése lézer Dt Fotoeffektus: Attosec + lézer (késleltetve) (Keresztkorreláció) Elektron energia: We  W0 + sin 2 ( wL Dt ) e2 E2L(Dt) 4mwL2 Mindkét nyaláb által keltett Csak az attosec által keltett A lézer hatása t meghatározása: We [eV] késleltetés [fs] Intenzitás (rel.egys.) Idő [fs] t = 530 Attosec lézer Mérhető a csíkok láthatósága. Elméleti „ t ” illesztés.

Alkalmazási példa az Attosec-impulzusra Az Auger-bomlás dinamikája (az atomtörzs elektronjainak relaxációs ideje) Kripton atom fény Az energia sávszélesség nem adja meg az időbeli dinamikát Eredmény Késleltetés [fs] Spektrális kiszélesedés [eV] Oldalsáv intenzitás (rel.egys) Röntgen intenzitás (rel.egys) Az attosec impulzus keltette elektronok ill. a lézerimpulzus korrelációja megadja az Auger elektron emissziójának időbeli alakulását.

LASERIMPULZUS „ABSZOLÚT FÁZISA” Időkülönbség a burkoló és a rezgő tér maximuma között

AZ ABSZOLÚT FÁZIS VÁLTOZÁSA Fázisváltozások a laserimpulzusok sorozata folyamán

OPTIKAI KAPU harmonikus keltéshez

EGYETLEN, 130 ATTOSZEKUNDUMOS IDŐTARTAMÚ IMPULZUS

ATTOSZEKUNDUMOS EGYETLEN IMPULZUS- EGYETLEN OPTIKAI CIKLUS Elektromos tér (Milano)

KETTŐS RÉS: IDŐBEN ÉS TÉRBEN IDŐBELI TÉRBELI laser detektor A TUNNELEZÉSI IDŐ MÉRÉSÉNEK ELVE az elektron kilépési valószinűsége laserindukált tunnelemisszióval

TUNNELEZÉSI IDŐ : KISÉRLETI EREDMÉMY

A TUNNELEZÉSI IDŐ MÉRÉSÉNEK ELVE MÜNCHEN W W1 W2

A TUNNELEZÉSI IDŐ MÉRÉSÉNEK ELVE az elektron kilépési valószinűsége laserindukált tunnelemisszióval

TUNNELEZÉSI IDŐ : KISÉRLETI EREDMÉMY

AUGER-DINAMIKA : KISÉRLETI EREDMÉNY

Attoszekundumos ELEKTRONIMPULZUSOK (BUDAPEST) A laserrel keltett fotoelektronok vonalas spektuma : Elektron energia (keV-ig) Elektronok száma ħ En= n ħω Az elektronokat de Broglie – féle ψ – hullámokkal írjuk le Az En = nħω – hoz tartozó hullám : ψn  exp (En t - pn x)   exp i / ħ [(E0 + nħω) t - 1/c ( (E0 + nħω)2 – E02) 1/2 x ] Ezek “ n ψn Fourier – szintézisét “ elvégeztük: Elméleti eredményünk: Attoszekundumos Elektronimpulzus – vonulatot kapunk, mely felváltva kollapszust és újraéledést mutat

ATTOSZEKUNDUMOS ELEKTRONIMPULZUSOK ALAKULÁSA: váltakozó “újraéledések” és “kollapszusok” Vízszintes tengely : idő, T laserrezgés-idő egységekben Vízszintes tengely : idő, T laserrezgés-idő egységekben

TOVÁBBLÉPŐ JELEN TEVÉKENYSÉGÜNK MAGYAR LEHETŐSÉGEK AZ EXTRÉM INTENZITÁSOKNÁL A NEM PERTURBATIV TARTOMÁNYOKBAN: A KFKI LÉZEREK INTENZITÁSÁNAK NÖVELÉSE AZ EXTRÉM 1015 W/CM 2 ÉRÉKEKRE : FELÜLETI PLAZMON ERŐSITÉSSEL : Erősitett ”EVANESZCENS” fénytér Gyakorlatban E/D ~ 100, Igy ~ 10 15 W / cm 2 érhető el

VALÓS KISÉRLET PLAZMON ERŐSITETT LÉZERTÉRREL

Összefoglaló előretekintés A nagyintenzitású lézerfizika jelenleg több nagy irányba halad: 1, A fizikai vákuum “feltörése” (Schwinger-tér ~10 15 V/cm –- 10 30 W/cm2 ) 2, Lézeres fúzió 3, Lézeres elektrongyorsítás 4, Attofizika: - atomi szerkezet dinamikája - anyagtudomány - nanofizika - kémiai folyamatok - biológiai szerkezetek, stb. Örvendetesnek tartjuk, hogy az Attofizika irány magyar felismerésből kiindulva jutott el mai fejlődéséhez. MTA – SZFKI