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.

Prezentacja na temat: "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."— Zapis prezentacji:

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

2 Attosekunda 1 -18 atto

3 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.

4 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:

5 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

6 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 = ·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:

7 Ewolucja ultrafast science

8 Ultra silne pola zaburzenie
ICF:

9 Ultra silne pola zaburzenie
ICF:

10 Ultra silne pola konieczne podejście nieperturbacyjne
Symulacje numeryczne ab initio ICF:

11 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 a.u. Natężenie pola obecnych laserów: I = PW/cm2 = 1019 W/cm W/cm2 (50 j.a.) Lasery attosekundowe: I = 1016 W/cm2 Granica relatywistyczna… ICF:

12 Ultra silne pola Źródło: Reiss, Phys. Rev 63 013409 (2000)
ICF: Źródło: Reiss, Phys. Rev (2000)

13 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:

14 Ultra silne pola

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

16 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

17 Optyka nieliniowa Jonizacja i rekombinacja
Powrót: rekombinacja lub absorpcja dodatkowych fotonów HHG i ATI ICF: Moment jonizacji (narodziny) determinuje dynamikę elektronu

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

19 Jonizacja ponadprogowa (ATI)
Widmo fotoelektronów

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

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

22 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

23 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)

24 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

25 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

26 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

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

28 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 (

29 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!!

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

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

32 Kamera smugowa „attosekundowa”

33 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.)

34 Metoda ultraszybkich pomiarów
Bramkowanie (gating) Pole elektryczne Bramka czasowa Mierzony sygnał ICF: np. Frequency-Resolved Optical Gating (FROG)

35 Metoda ultraszybkich pomiarów
Bramkowanie (gating) Pole elektryczne Bramka czasowa Mierzony sygnał ICF: Complete Reconstruction of Attosecond Bursts (CRAB) Rozkład uwalniania elektronów Bramka czasowa

36 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)

37 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: Tą metodą można poznać czasową strukturę pojedynczej sekwencji, ale nie obwiednię. Na to pozwala FROG/CRAB.

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

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

40 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

41 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)

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

43 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

44 Stabilizacja w jonizacji
Jonizacja: wpływ osobliwości w 1D

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

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

47 Stabilizacja w jonizacji
Jonizacja: wymiar i detale potencjału

48 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)

49 Stabilizacja w jonizacji
Magnetyczny dryf – wyjście poza przybliżenie dipolowe

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

51 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 (?) 486.4 + 153.39 42.34 130.30 39.66 Quadro FX 5800 240 1296 (?) 933.12 135.88 26.96 123.75 30.18 GeForce GTX 480 480 1401 (?) 313.52 74.95 244.42 71.58 GeForce GTX 580 512 1590 (?) 1581.1 353.28 85.20 268.16 80.94 Implementacja z użyciem CUDA przygotowana przez Tomasza Dziubaka

52 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