Физики изучили процесс надпороговой ионизации, происходящей в нанокаплях жидкого гелия, и сравнили ее с аналогичным процессом в свободных атомах. Измеряя энергии рассеянных электронов, они подтвердили предположение о том, что электроны, вырванные из капель, поглощают больше фотонов, чем электроны, вырванные из свободных атомов. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Ионизация — это процесс отрыва электронов от атомов, молекул или более сложных систем за счет какого-либо воздействия, например, облучения светом. На заре атомной физики ученые исследовали лишь однофотонную фотоионизацию в силу небольшой интенсивности, создаваемой доступными на тот момент источниками света. Однако изобретение мощных лазеров открыло путь к исследованию процессов, при которых электрон отрывается за счет поглощения нескольких фотонов.

В 1964 голу Келдыш предсказал, что энергетический спектр фотоэлектронов, поглотивших множество фотонов, будет состоять из последовательности пиков, отстоящих друг от друга на величину энергии светового кванта. Это явление получило название надпороговой ионизации. Последующие эксперименты в газах подтвердили это предположение, однако спектры довольно быстро затухали с ростом числа поглощенных фотонов. Впоследствии появились предположения о том, что спектры электронов, которые вырываются из атомов, объединенных в нанокластеры или нанокапли, должны содержать больше высокоэнергетических компонент за счет коллективных эффектов, однако на сегодняшний день этот вопрос экспериментально исследован очень слабо.

Ученые из шести стран при участии Ларса Бойер Мадсена (Lars Bojer Madsen) из Орхусского университета исследовали процесс надпороговой ионизации для атомов жидкого гелия, собранного в нанокапли. Физики измерили спектры фотоэлектронов, испущенных предварительно возбужденными атомами, убедившись, что в них присутствуют высокоэнергетические компоненты.

Сначала авторы создавали струи нанокапель жидкого гелия контролируемого размера, которые облучались лазером на свободных электронах с энергией фотонов, равной 23,7 электронвольт. Такая энергия резонансно возбуждала атомы гелия в состояние 1s4p. В результате фокусировки излучения в пятно размером 70 микрометров его интенсивность достигала значения 1,8×10¹⁰ ватт на квадратный сантиметр, что обеспечивало долю возбужденных атомов в диапазоне от 0,01 до 0,1 процента. В дальнейшем капли облучались зондирующими импульсами с длиной волны 800 и 400 нанометров и интенсивностью, достигающей 10¹³ ватт на квадратный сантиметр, испускаемыми титан-сапфировым лазером с контролируемой задержкой относительно возбуждающего импульса. Эти импульсы вызывали ионизацию и накачку кинетической энергии электронов, которая и измерялась в эксперименте.

В результате авторы обнаружили, что спектры надпороговой ионизации для сконденсированных атомов действительно убывают с ростом энергии гораздо медленнее, чем это происходит для атомов в газовой фазе. Они также подробно исследовали зависимость положения и формы пиков в спектрах от задержки между возбуждающим и зондирующим импульсом. Она оказалась достаточно нетривиальной, отражая достаточно сложную динамику, которая присуща внутренней релаксации возбужденных гелиевых нанокапель. Для ее описания физики разработали полуэмпирическую модель, в рамках которой было учтено, что атомы в капле коллективно поглощают зондирующие фотоны, а затем передают эту энергию какому-то одному атому, который и испускает электрон.

Авторы отмечают, что, поскольку надпороговая ионизация может завершиться возвращением электрона в атомы с испусканием всей накопленной энергии, атомные кластеры могут служить инструментом усиления генерации старших гармоник, а потому этот вопрос требует отдельного исследования. Они утверждают также, что указанные процессы будут происходить эффективнее при сокращении длительности лазерного импульса.

Физики продолжают находить новые грани в процессе ионизации атомов. Ранее мы уже писали, как они разобрались с распределением импульса фотонов и обнаружили сильный круговой дихроизм при отрыве электрона.

Марат Хамадеев