e-mail: jacek@fizyka.umk.pl Attofizyka O oddziaływaniu układów atomów z krótkimi i silnymi impulsami lasera Jacek Matulewski e-mail: jacek@fizyka.umk.pl 10 listopada 2011

Attosekunda 1 -18 atto

Zapowiedź Skala czasu, wielkości i energii w attofizyce rozwój nauki o procesach ultraszybkich zwiększanie mocy laserów MPI, ATI, HHG, OTBI i inne zjawiska Generowanie impulsów attosekundowych Attosekundowa kamera smugowa Stabilizacja w silnych polach laserów attosek.

Attofizyka Relacja z lektury m.in.: F. Krausz, M. Ivanov Attosecond physics Rev. Mod. Phys. 81, 163 (2009) A. Scrinzi, M. Ivanov, R. Kienberger, D.M. Villenueve Attosecond physics J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 39, R1 (2006) P.B. Corkum, Zenghu Chang The Attosecond Revolution Optics and Photonics News, Październik 2008 Strona: www.attoworld.de

Skala czasowa Zjawiska „attofizyczne” są na skali czasu tak samo odległe od codzienności, jak wielki wybuch Źródło: Jacek Matulewski, Wiedza i Życie, Nieskończenie długa sekunda, 05/2007

Mikroświat Atom: Laser: 1 j.a. czasu = 24 as = 2.41·10-17 s Źródło: Ferenc Krausz, Misha Ivanov, Rev. Mod. Phys., Vol. 81, 2009 1 j.a. czasu = 24 as = 2.41·10-17 s 1 j.a. długości = 0.53 Å = 5.29177·10-11 m e0 = 1 j.a. odpowiada I = 3.51·1016 W/cm2 = 35.1 PW/cm2 w = 1 j.a. odpowiada l = 45 nm (XUV / X), T = 150 as Atom: Laser:

Ewolucja ultrafast science

Ultra silne pola zaburzenie ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html

Ultra silne pola zaburzenie ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html

Ultra silne pola konieczne podejście nieperturbacyjne Symulacje numeryczne ab initio ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html

Ultra silne pola Pole wewnętrzne atomu: e0 = 1 a.u. (I0 = 3.51·1016 W/cm2) Prawie wolny elektron (wpływ potencjału wiążącego to jedynie zaburzenie): e0 równe co najmniej 5 - 10 a.u. Natężenie pola obecnych laserów: I = PW/cm2 = 1019 W/cm2 - 1020 W/cm2 (50 j.a.) Lasery attosekundowe: I = 1016 W/cm2 Granica relatywistyczna… ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html

Ultra silne pola Źródło: Reiss, Phys. Rev 63 013409 (2000) ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html Źródło: Reiss, Phys. Rev 63 013409 (2000)

Ultra silne pola Granica relatywistyczna dla w = 1: e0 = 15 a.u. Od tego natężenia należy uwzględniać wpływ pola magnetycznego (np. magn. dryf). Granica od której konieczny opis w pełni relatywistyczny (r. Diraca) dla w = 1: >50 a.u. Szybka inicjacja fuzji jądrowej (fast ignition of nuclear fusion): I0 = 5·1020 W/cm2 (e0 = 100 a.u.) ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html

Ultra silne pola

Narodowy Zakład Zapłonu (NIF, LLNL) W Europie podobne projekty: HiPER (Węgry), LMJ (Francja), inny projekt w Czechach

Shorter, more intense. Shorter, more intense. An inverse linear dependence exists over 18 orders of magnitude between the pulse duration of coherent light emission and the laser intensity. These entries encompass different underlying physical regimes that exhibit molecular, bound atomic electron, relativistic plasma, ultrarelativistic, and vacuum nonlinearities. Blue patches represent experimental data; red patches denote simulation or theory. G Mourou, T Tajima Science 2011;331:41-42 Published by AAAS

Optyka nieliniowa Jonizacja i rekombinacja Powrót: rekombinacja lub absorpcja dodatkowych fotonów HHG i ATI ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html Moment jonizacji (narodziny) determinuje dynamikę elektronu

Optyka nieliniowa Jonizacja ponadprogowa (ATI) Rekombinacja promienista (RR) elektronu i emisja wyższej harmonicznej (HHG) Wybicie innego elektronu (NSDI - niesekwencyjna podwójna jonizacja)

Jonizacja ponadprogowa (ATI) Widmo fotoelektronów

Wyższe harmoniczne (HHG) Rekombinacja promienista (RR) elektronu i emisja wyższej harmonicznej (HHG) 3.17Up

Wyższe harmoniczne (HHG) Jak liczyć HHG na komputerze? Symulacje kwantowomechaniczne (TDSE) Zależna od czasu funkcja falowa Widmo dipolowe to transformata Fouriera oczekiwanego położenia elektronu:

Wyższe harmoniczne (HHG) Już 1993 r.: 109-ta harmoniczna 7.5 nm, T = 25as, w = 6 a.u. Źródło: J.J. Macklin et al.. Phys. Rev. Lett., 70 (1993) 766

Stabilny laser femtosekundowy (widmo widzialne, np. w = 0 Stabilny laser femtosekundowy (widmo widzialne, np. w = 0.1) w zjawisku generacji wyższych harmonik (HHG) tworzy serię impulsów lasera attosekundowego (widmo XUV/X, np. w = 1)

Kontrola kształtu fali lasera Kontrola impulsów laserów femtosekundowych CEP – carrier-envelope phase, CEO – CE offset Technika f-2f (interferencja, dudnienie): Sprzężenie zwrotne z sygn. interferometru f-2f Stabilność rzędu 200 mrad na dziesiątki minut Kontrolowana jest także amplituda i częstość powtarzania

Re-collision (backscattering) Sposób produkcji impulsów attosekundowych (rekombinacja): makroskopowa ilość atomów oddziałuje ze skupionym promieniem lasera femtosekund Potrzebna kontrola fazy (przebiegu) impulsów femtosekundowych Różne języki opis półklasyczny ( ) opis kwantowy (fotony) Pytanie: rekombinacja następuje co okres – a promieniowanie ma zbierać fotony

Moc lasera attosekundowego Problem rozmiaru próbki (makroskopowa) Phase matching: prędkość fazowa impulsów femto- i attosekundowego są takie same. Ponadto propagacja w tym samym kierunku Stopniowo generowany impuls kumuluje się W pewnym zakresie moc lasera zależy proporcjonalnie od ilość atomów

Attosecond puls train (APT) Co okres rekombinacja => seria impulsów Attosecond Pulse Train (APT) Stabilność APT: te same parametry impulsów

Attosecond puls train (APT) Co okres rekombinacja => seria impulsów Attosecond Pulse Train (APT) Stabilność APT: te same parametry impulsów Podobieństwo do laserów z synchr. modów Rüdriger Paschotta, Encyclopedia of Laser Physics and Technology (http://www.rp-photonics.com/)

Attosecond puls train (APT) Co okres rekombinacja => seria impulsów Attosecond Pulse Train (APT) Stabilność APT: te same parametry impulsów Podobieństwo do laserów z synchr. modów Problemem jest uzyskanie jednego impulsu: Użycie częstości z pobliża odcięcia widma HHG Późniejsze izolowanie piku (polaryzacja) Duża szerokość widma jednego impulsu!!

Charakterystyka krótkich impulsów Google: ang. few-cycle laser pulses Problem z szerokością widma (XUV/X-Ray) Załamanie „lasera monochromatyczny”

Kamera smugowa „klasyczna” Źródło: Ferenc Krausz, Misha Ivanov, Rev. Mod. Phys., Vol. 81, 2009

Kamera smugowa „attosekundowa”

Kamera smugowa Co obserwujemy? Sam impuls attosekundowy lub pole, które jest efektem jego interakcji z gazem atomowym Laser femtosekundowy jest na tyle słaby, że nie bierze udziału w procesach fizycznych, które są obserwowane – tylko „odbiera” elektrony i odchyla ich tor (czas => przestrz.)

Metoda ultraszybkich pomiarów Bramkowanie (gating) Pole elektryczne Bramka czasowa Mierzony sygnał ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html np. Frequency-Resolved Optical Gating (FROG)

Metoda ultraszybkich pomiarów Bramkowanie (gating) Pole elektryczne Bramka czasowa Mierzony sygnał ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html Complete Reconstruction of Attosecond Bursts (CRAB) Rozkład uwalniania elektronów Bramka czasowa

Metoda ultraszybkich pomiarów Interferometria widmowa Spectral Phase Interferometry for Direct Electric field Reconstruction (SPIDER) Transformata Fouriera impulsu lasera Kopia z przesuniętym odrobinę widmem i opóźnieniem Z tego fazę f(w), a(w) – niezależnie: dostaniemy a(t)

Metoda ultraszybkich pomiarów Badanie korelacji impulsu attosekundowego i femtosekundowego. Oba oświetlają atomowy gaz, tak jak w kamerze smugowej, z którego impuls attosekundowy uwalnia elektrony. Impuls femtosekundowy użyty do pomiaru może być tym samym, który służył do wygenerowania impulsu attosekundowego. Reconstruction of Attosecond Beating by Interference of two-photon Transition (RABBIT) ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html Tą metodą można poznać czasową strukturę pojedynczej sekwencji, ale nie obwiednię. Na to pozwala FROG/CRAB.

Kamera smugowa Pierwszy pomiar przebiegu impulsu lasera Goulielmakis i in. Science 317 (2004)

Kamera smugowa Pierwszy pomiar przebiegu impulsu lasera Goulielmakis i in. Science 317 (2004)

Kamera smugowa Badania procesów biologicznych („filmowanie” zmian w białkach) Badanie procesów chemicznych (również pomiary zależne od czasu) Badanie ruchu atomów w molekułach Zakusy do badania procesów atomowych

Przyszłe zastosowania (??) Obrazowanie procesów atomowych (4D) Sterowanie procesami atomowymi (ruchem elektronu w układach atomowych) - inżynieria attosekundowa Przechowywanie informacji w atomach Szybka inicjacja fuzji jądrowej (trzeba dostarczyć 10 kJ do rdzenia w 10 ps)

Zjawisko stabilizacji jonizacji w ultra-silnych polach lasera attosekundowego (e0 = 1-5 j.a., w = 1 j.a.)

Ultra silne pola - stabilizacja Zależne od czasu równanie Schrödingera (potencjał jawnie zależy od czasu) Zależne od czasu równanie Schrödingera (laboratoryjny układ współrzędnych) Zastępujemy zależny od czasu potencjał przez potencjał KH (zerowy element rozw. Fouriera): Stabilizacja jako dynamiczna lokalizacja pakietu falowego

Stabilizacja w jonizacji Jonizacja: wpływ osobliwości w 1D

Stabilizacja w jonizacji Dynamika w różnych skalach czasowych: Sekwencja jonizacji i rekombinacji Wolny dryf Trwała jonizacja

Stabilizacja w jonizacji Jonizacja: wpływ osobliwości w 3D W 3D: kluczowy jest kształt impulsu (niemożliwe jest jego modelowanie)

Stabilizacja w jonizacji Jonizacja: wymiar i detale potencjału

Stabilizacja w jonizacji Stabilizacja jako niemonotoniczność poziomu jonizacji od natężenie pola lasera Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w pobliżu studni (100 a.u.) with dipole app. without dipole app. Ryabikin, Sergeev, Optics Express 417, 7 12 (2000)

Stabilizacja w jonizacji Magnetyczny dryf – wyjście poza przybliżenie dipolowe

„Stabilizacja” w rekombinacji odpowiednik stabilizacji dynamicznej po użyciu met. kompensacji wolnego dryfu

Symulacje numeryczne - CUDA Model karty graficznej Ilość rdzeni CUDA Częst. rdzeni [MHz] Teoretyczna wydajność (GFLOP), podwójna precyzja Teoretyczna wydajność (GFLOP), pojedyncza precyzja Fermi „Przyspieszenie” 1024x 1024 pojed. precyzja 1024x 1024 podwój.precyzja 2048x 128 pojedyn. precyzja 2048x 128 podwój. precyzja GeForce 8400M GS 16 800 - 38.4 7.89 8.08 Quadro FX 570M 32 950 91.2 24.15 22.44 GeForce GT 130M 1500 144 33.28 32.09 GeForce GT 240M 48 1210 174 39.88 36.76 GF 8800 GTS 512 128 1625 624 100.45 82.68 Quadro 4000 256 243.2 (?) 486.4 + 153.39 42.34 130.30 39.66 Quadro FX 5800 240 1296 311.04 (?) 933.12 135.88 26.96 123.75 30.18 GeForce GTX 480 480 1401 672.48 (?) 1344.96 313.52 74.95 244.42 71.58 GeForce GTX 580 512 1590 814.08 (?) 1581.1 353.28 85.20 268.16 80.94 Implementacja z użyciem CUDA przygotowana przez Tomasza Dziubaka

Do zapamiętania: Fizyka attosekundowa (lightwave electronics) to kontrola i pomiary procesów attosekundowych, zarówno strumienia elektronów, jak i fotonów (światła) Potrzebna technologia femtosekundowa (kontrola amplitudy i fazy impulsów fs) Kamera smugowa i attosekundowy FROG Inny schemat: spektroskopia attosekundowa (rentgenowskie pump/probe) Przyszła technologia „sterowania” elektronami