强激光场中的非序列电离动力学研究

The nonsequential multiple ionization of atoms or molecules in strong laser field involves the rich dynamics of photon-electron, electron-electron, electron-nuclei processes, and thus is a complex many-body multi-time-scale quantum system. Specifically, since the amplitude of the laser field and the Coulomb field are of the same order, they compete with each other, leading to the break down of traditional perturbation theories. While at the same time solving the fully dimensional Schrodinger equation is computationally challenging even for the best super computers. Therefore, it is highly desirable to develop appropriate models. This project aims to further improve a kind of semiclassical models as developed independently by our group, and then apply them to account for new physical systems. We hope to achieve the following goals: (1) going beyond the dipole approximation to study the partition of photon momentum between the electron and ion; (2) introducing the Feynman path integral to develop quantum trajectory Monte Carlo approach and study the quantum interference in molecular double ionization; (3) adopting the Heisenberg Core and Pauli Core to avoid the nonphysical autoionization of classical multi-electron system, and to study the electron thermalization in the long-wavelength limit induced by high energy recollision; and (4) exploring the atomic multiple ionization in relativistic super intense laser. These works would help to understand the microscopic dynamics of matters under extreme conditions. They also have possible applications in imaging of molecular structure, calibrating the laser parameters, and so on.

强激光场中的非序列电离涉及到光子与电子、电子与电子、电子与原子核等诸多过程，是一个多体、多时间尺度主导的复杂量子体系。特别是，由于激光场与库仑场强度相当，两者相互竞争，使得传统的微扰理论失效，同时求解完整维度的薛定谔方程面临本质困难，需要发展新的理论模型。本项目旨在进一步完善小组独立发展的半经典轨道模拟方法并应用于解释新的物理系统，以期达到如下目标：（1）超越偶极近似研究光子动量在离子和电子间的分配；(2) 引入费曼路径积分发展量子轨道蒙特卡洛模拟方法，研究分子双电离中的干涉效应；（3）利用Heisenberg Core和Pauli Core实现经典多电子体系的稳定化，阐明长波极限下高能再散射引发的多电子热化过程；（4）探索相对论性超强场中的原子多重电离。对相关问题的深入研究，将有助于了解极端光场中物质的微观动力学机理，同时在分子轨道层析成像、激光参数定标等方面也有潜在应用。

强激光场中的非序列电离是多光子、多电子、多原子核相互作用的复杂多体系统，其准确描述涉及到隧穿电子的初始构型包括隧穿时间、隧穿位置、初始速度分布，以及之后电子在库仑场和强激光场联合作用下的散射过程。针对这一强场物理研究领域长期关注的核心物理过程之一,本项目推广完善了小组独立发展的半经典再散射模型，通过引入费曼路径积分方法有效考虑了强场电离和再散射过程中的量子干涉效应；应用波包的反对称性来模拟泡利不相容原理，构造了带自旋的电子间的等效相互作用势，使得半经典模型能够应用于研究多费米子问题；通过引入电子-离子间的海森堡势获得了经典多电子系统的稳定构型，目前已经可以模拟多达七个电子的复杂原子系统与强激光场的作用；此外，通过综合运用伪谱方法和劈裂算符方法，发展了求解完整维度薛定谔方程的量子从头计算程序。在这些理论方法和数值程序的基础上，我们深入系统地研究了强激光场中原子分子的复杂电离动力学，澄清了强场隧穿的非绝热性争论，发现了隧穿电子的Glory再散射，解释了光电子全息图样中的条纹结构，解决了强场双电离序列电离区是否存在电子关联的争议，发现了非序列-序列电离过渡区能谱标度律特征并得到相关实验证实，提出了利用中红外长波段激光控制原子非序列电离的关联电子过程，首次研究了超冷铷原子的强场多重电离，开拓了一个新的交叉研究领域，提出了强激光场辅助的粒子碰撞实现电子对自旋极化和纠缠度的调控。与此同时，我们还探索了强场电离理论在库仑爆炸成像、激光成丝传输、电离介质的太赫兹辐射、矢量光场重构中的应用等等。这些工作为相关领域的进一步发展提供了有益的参考。在项目执行期间（2017-2020年），我们共发表相关SCI论文17篇,同时出版量子物理专著一部（Springer, 2018）。研究工作获得中国工程物理研究院科技创新一等奖（省部级）。