强激光场中高Z原子双电离复杂动力学研究

Multi-electron correlated dynamics plays a very important role in many fundamental processes in nature such as the formation and dissociation of molecules. It is a challenge in contemporary physics. Nonsequential double ionization, as an important phenomenon of multi-electron correlation, has been one of the focuses of strong-field physics for a long time. Recent experiments show that the ionization mechanism of high-Z atoms with a lot of inner electrons is remarkably different with low-Z atoms. Nonstructured and crosslike correlated electron momentum spectra are observed in the double inonization of Xe irradiated by the near-infrared and mid-infrared laser pulses, respectively. The underlying mechanism has attracted broad interest. For high-Z atoms, inner electron effect needs to be considered, which makes the numerical method of solving the time-dependent Schrödinger equation becomes unfeasible. This project aims to develop semiclassical trajectory simulation method for high-Z atoms based on model potential (for instance, the Green-Sellin-Zachor potential) and the double ionization mechanism of high-Z atoms will be investigated. The in-depth understanding of the relevant issues will enrich our knowledge about ionization mechanism of atoms in strong laser filed, and might also provide theoretical basis to explore possible way for atomic and molecular manipulation and attosecond imaging.

多电子关联动力学在诸如分子的形成和解离等众多自然现象中起非常重要的作用，是当今物理学中的一个挑战。非序列双电离，作为多电子关联的重要现象，一直是强场物理领域的重点研究方向。近来的实验表明，高Z原子由于其内部电子众多，使其电离机制与低Z原子存在巨大差异。在Xe原子的双电离实验中，电子动量关联谱在近红外和中红外激光辐照下分别呈现非结构和“十字形”结构，其形成机制得到广泛关注。对于高Z原子，需要考虑内部电子效应，这使得数值求解含时薛定谔方程的方法变得不可行。本项目将借助模型势（譬如说Green-Sellin-Zachor势），发展完善针对高Z原子的半经典轨道模拟方法，进而深入研究高Z原子在强激光场中的双电离机制。对相关问题的深入理解有助于进一步理清强激光场中原子的电离机制，并有可能为原子分子操控、阿秒成像等技术的发展提供理论基础。

近些年来，强场物理学界对非序列双电离的研究主要集中在低Z稀有气体原子，即He，Ne，Ar原子。在绝大多数实验观察中，双电子主要向同一个半球发射，即正关联。同时，在回碰阈值以下观察到Ar原子的双电子主要向相反半球发射，即反关联。最近，在Xe的双电离实验中，上面提到的正关联或反关联占主导的现象完全消失，取而代之的是出现一个无结构的双电子动量关联谱（790 nm波长下）。我们通过heliumlike模型和Green-Sellin-Zachor (GSZ)模型的对比，研究了Xe原子的双电离。序列电离及碰撞激发场助电离信号的加强被确定为实验上看到的790 nm激光场下Xe原子双电离中非结构关联电子动量谱的两个来源。我们揭示了这些双电离信号加强是同Xe原子的内壳层电子相关联的。但是，随着波长的增加，非结构关联谱演变为拉长的V形结构。同时，应用经典多原子分子系棕模型，我们研究了Ar和Ne三聚体强场库伦爆炸并且很好的重复出实验观测到的平动能谱（相比较Ne三聚体，Ar三聚体的平动能谱峰值位置较低，分布较窄，并且呈现明显的不对称性）。我们的研究为Ar和Ne三聚体如此差异巨大的平动能谱提供了物理解释，即关联到飞秒到阿秒尺度的电子动力学（价电子被泵浦到不同椭圆轨道的激发和极化过程）。这个过程可以简单的推广到四聚体或者更加复杂的团簇，因此打开了一个理论研究稀有气体团簇在外场中超快过程的新方向。