Двойная ионизация

Быстрое удаление двух электронов из атома

Двойная ионизация — процесс образования двухзарядных ионов при воздействии лазерного излучения на нейтральные атомы или молекулы. Двойная ионизация обычно менее вероятна, чем одноэлектронная ионизация . Различают два типа двойной ионизации: последовательную и непоследовательную.

Последовательная двойная ионизация

Последовательная двойная ионизация — это процесс образования двухзарядных ионов, состоящий из двух актов одноэлектронной ионизации: первый электрон удаляется от нейтрального атома/молекулы (оставляя однозарядный ион в основном или возбужденном состоянии ), после чего следует отрыв второго электрона от иона. ^[1]

Примеры последовательной двойной ионизации

• 
  Последовательная двойная ионизация
• 
  Последовательная двойная ионизация через ионное возбужденное состояние

Непоследовательная двойная ионизация

Непоследовательная двойная ионизация — это процесс, механизм которого отличается (в деталях) от последовательного. Например, оба электрона покидают систему одновременно (как в атомах щелочноземельных металлов, см. ниже), освобождению второго электрона способствует первый электрон (как в атомах благородных газов, см. ниже) и т. д.

Явление непоследовательной двойной ионизации было экспериментально обнаружено Сураном и Запесочным для щелочноземельных атомов еще в 1975 году. ^[2] Несмотря на обширные исследования, детали двойной ионизации в щелочноземельных атомах остаются неизвестными. Предполагается, что двойная ионизация в этом случае осуществляется переходами обоих электронов через спектр автоионизационных состояний атома, расположенных между первым и вторым потенциалами ионизации . ^{[3] [4] [5] [6] [7] [8]}

Непоследовательная двойная ионизация в атомах щелочноземельных металлов

Для атомов благородных газов непоследовательная двойная ионизация была впервые обнаружена Люлье . ^{[9] [10]}   Интерес к этому явлению быстро возрос после того, как оно было заново открыто ^{[11] [12]} в инфракрасных полях и для более высоких интенсивностей. Также наблюдалась многократная ионизация. ^{[13] [14]}   Механизм непоследовательной двойной ионизации в атомах благородных газов отличается от механизма в атомах щелочноземельных металлов. Для атомов благородных газов в инфракрасных лазерных полях после одноэлектронной ионизации освобожденный электрон может повторно столкнуться с родительским ионом. ^{[15] [16]} Этот электрон действует как «атомная антенна», ^[16] поглощая энергию из лазерного поля между ионизацией и повторным столкновением и передавая ее родительскому иону. Неупругое рассеяние на родительском ионе приводит к дальнейшему столкновительному возбуждению и/или ионизации. Этот механизм известен как трехступенчатая модель непоследовательной двойной ионизации, которая также тесно связана с трехступенчатой ​​моделью генерации высших гармоник .

Динамика двойной ионизации в трехступенчатой ​​модели сильно зависит от интенсивности лазерного поля. Максимальная энергия (в атомных единицах ), получаемая повторно сталкивающимся электроном от лазерного поля, равна , ^[15] где - пондеромоторная энергия , - напряженность лазерного поля, - частота лазера. Даже когда - намного ниже потенциала ионизации, эксперименты наблюдали коррелированную ионизацию. ^{[13] [14] [17] [18] [19]}   В отличие от режима высокой интенсивности ( ) ^{[20] [21] [22] [23]} в режиме низкой интенсивности ( ) помощь лазерного поля во время повторного столкновения имеет решающее значение. ${\displaystyle \sim 3.2U_{p}}$ ${\displaystyle U_{p}={\frac {F^{2}}{4\omega ^{2}}}}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle 3.2U_{p}}$ ${\displaystyle I_{p}}$ ${\displaystyle U_{p}}$ ${\displaystyle 3.2U_{p}>I_{p}}$ ${\displaystyle U_{p}}$ ${\displaystyle 3.2U_{p}<I_{p}}$

Классический и квантовый анализ ^{[24] [25] [26]} режима low- демонстрирует следующие два способа выброса электронов после повторного столкновения: во-первых, два электрона могут быть освобождены с небольшой задержкой по сравнению с четвертью цикла ведущего лазерного поля. Во-вторых, задержка между выбросом первого и второго электрона имеет порядок четверти цикла ведущего поля. В этих двух случаях электроны появляются в разных квадрантах коррелированного спектра. Если после повторного столкновения электроны выбрасываются почти одновременно, их параллельные импульсы имеют одинаковые знаки, и оба электрона движутся лазерным полем в одном и том же направлении к детектору ^[27] . Если после повторного столкновения электроны выбрасываются с существенной задержкой (четверть цикла или более), они в конечном итоге движутся в противоположных направлениях. Эти два типа динамики создают совершенно разные коррелированные спектры (сравните экспериментальные результаты ^{[13] [14] [17] [18] [19]} с . ^{[22] [23]} ${\displaystyle U_{p}}$

Непоследовательная двойная ионизация атомов благородных газов

• 
  Высокий режим ${\displaystyle U_{p}}$
• 
  Низкий режим ${\displaystyle U_{p}}$

Смотрите также

• Список статей о лазерах
• Нелинейная оптика
• Фотоионизация
• Ионизация
• Генерация высоких гармоник
• Ионизация выше порога

Физический портал
Научный портал

Ссылки

1. Делоне, Н. Б .; Крайнов, В. П. (2000). Многофотонные процессы в атомах . Springer. ISBN 3540646159., глава 8.
2. Суран, В.В.; Запесочный, ИП (1975). "Наблюдение Sr ²⁺ при многофотонной ионизации стронция". Письма в ЖТФ . 1 (11): 420.
3. Ламбропулос, П.; Тан, X.; Агостини, П.; Петит, Г.; Л'Юлье, А. (1988). «Многофотонная спектроскопия дважды возбужденных, связанных и автоионизирующих состояний стронция». Physical Review A. 38 ( 12): 6165–6179. Bibcode : 1988PhRvA..38.6165L. doi : 10.1103/PhysRevA.38.6165. PMID  9900374.
4. Бондарь, И.И.; Суран, В.В. (1993). "Двухэлектронный механизм образования ионов Ba2+ при ионизации атомов Ba излучением YAG-лазера". ЖЭТФ . 76 (3): 381. Bibcode :1993JETP...76..381B. Архивировано из оригинала 21 декабря 2012 г.
5. Бондарь, И.И.; Суран, В.В. (1998). "Резонансная структура образования двухзарядных ионов при лазерной диэлектронной ионизации атомов". Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters . 68 (11): 837. Bibcode :1998JETPL..68..837B. doi :10.1134/1.567802. S2CID  120658599.
6. Бондарь, И.И.; Суран, В.В.; Дудич, М.И. (2000). «Резонансная структура в образовании двухзарядных ионов при многофотонной ионизации атомов Sr и Ba инфракрасным лазерным излучением». Журнал физики B: атомная, молекулярная и оптическая физика . 33 (20): 4243. Bibcode : 2000JPhB...33.4243B. doi : 10.1088/0953-4075/33/20/304. S2CID  250826815.
7. Лионтос, И.; Боловинос, А.; Коэн, С.; Лирас, А. (2004). «Одиночная и двойная ионизация магния посредством четырехфотонного возбуждения автоионизирующего состояния 3p^{2}^{1}S_{0}: экспериментальный и теоретический анализ». Physical Review A. 70 ( 3): 033403. Bibcode :2004PhRvA..70c3403L. doi :10.1103/PhysRevA.70.033403.
8. Liontos, I.; Cohen, S.; Lyras, A. (2010). «Многофотонное производство Ca2+, происходящее до начала насыщения Ca+: является ли это отпечатком прямой двойной ионизации?». Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics . 43 (9): 095602. Bibcode : 2010JPhB...43i5602L. doi : 10.1088/0953-4075/43/9/095602. S2CID  119869086.
9. l'Huillier, A.; Lompre, L.; Mainfray, G.; Manus, C. (1982). «Многозарядные ионы, образованные многофотонными процессами поглощения в континууме». Physical Review Letters . 48 (26): 1814. Bibcode : 1982PhRvL..48.1814L. doi : 10.1103/PhysRevLett.48.1814.
10. l'Huillier, A.; Lompre, LA; Mainfray, G.; Manus, C. (1983). "Многозарядные ионы, индуцированные многофотонным поглощением в инертных газах при 0,53 мкм". Physical Review A. 27 ( 5): 2503. Bibcode : 1983PhRvA..27.2503L. doi : 10.1103/PhysRevA.27.2503.
11. Walker, B.; Mevel, E.; Yang, B.; Breger, P.; Chambaret, J.; Antonetti, A.; Dimauro, L.; Agostini, P. (1993). "Двойная ионизация в пертурбативном и туннельном режимах". Physical Review A. 48 ( 2): R894–R897. Bibcode :1993PhRvA..48..894W. doi :10.1103/PhysRevA.48.R894. PMID  9909791.
12. Уокер, Б.; Шихи, Б.; Димауро, Л.; Агостини, П.; Шефер, К.; Куландер, К. (1994). «Точное измерение двойной ионизации гелия в сильном поле». Physical Review Letters . 73 (9): 1227–1230. Bibcode :1994PhRvL..73.1227W. doi :10.1103/PhysRevLett.73.1227. PMID  10057657.
13. Руденко, А.; Зрост, К.; Фейерштейн, Б.; Де Иисус, В.; Шрётер, К.; Мошаммер, Р.; Ульрих, Дж. (2004). "Коррелированная многоэлектронная динамика при сверхбыстрых взаимодействиях лазерных импульсов с атомами". Physical Review Letters . 93 (25): 253001. arXiv : physics/0408065 . Bibcode :2004PhRvL..93y3001R. doi :10.1103/PhysRevLett.93.253001. PMID  15697894. S2CID  40450686.
14. Zrost, K.; Rudenko, A.; Ergler, T.; Feuerstein, B.; Jesus, VLBD; Schröter, CD; Moshammer, R.; Ullrich, J. (2006). "Множественная ионизация Ne и Ar интенсивными лазерными импульсами длительностью 25 фемтосекунд: динамика нескольких электронов, изученная с помощью спектроскопии импульса ионов". Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics . 39 (13): S371. Bibcode :2006JPhB...39S.371Z. doi :10.1088/0953-4075/39/13/S10. S2CID  122414336.
15. Corkum, P. (1993). "Плазменная перспектива многофотонной ионизации в сильном поле". Physical Review Letters . 71 (13): 1994–1997. Bibcode :1993PhRvL..71.1994C. doi :10.1103/PhysRevLett.71.1994. PMID  10054556. S2CID  29947935.
16. Кучиев, М.Ю. (1987). «Атомная антенна». Письма в ЖЭТФ . 45 : 404. Bibcode : 1987JETPL..45..404K.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
17. Zeidler, D.; Staudte, A.; Bardon, AB; Villeneuve, DM; Dörner, R.; Corkum, PB (2005). "Управление динамикой двойной ионизации аттосекундных импульсов с помощью молекулярного выравнивания". Physical Review Letters . 95 (20): 203003. Bibcode :2005PhRvL..95t3003Z. doi :10.1103/PhysRevLett.95.203003. PMID  16384053.
18. Векенброк, М.; Зейдлер, Д.; Штаудте, А.; Вебер, Т.; Шеффлер, М.; Меккель, М.; Каммер, С.; Смолярский, М.; Ягуцкий, О.; Бхардвадж, В.; Рейнер, Д.; Вильнев, Д.; Коркум, П.; Дорнер, Р. (2004). «Полностью дифференциальные скорости фемтосекундной многофотонной двойной ионизации неона». Письма о физических отзывах . 92 (21): 213002. Бибкод : 2004PhRvL..92u3002W. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.213002. ПМИД  15245277.
19. Liu, Y.; Tschuch, S.; Rudenko, A.; Dürr, M.; Siegel, M.; Morgner, U.; Moshammer, R.; Ullrich, J. (2008). "Двойная ионизация Ar в сильном поле ниже порога повторного столкновения". Physical Review Letters . 101 (5): 053001. Bibcode : 2008PhRvL.101e3001L. doi : 10.1103/PhysRevLett.101.053001. PMID  18764387.
20. Юдин, Г.; Иванов, М. (2001). "Физика коррелированной двойной ионизации атомов в интенсивных лазерных полях: Квазистатический предел туннелирования". Physical Review A. 63 ( 3): 033404. Bibcode :2001PhRvA..63c3404Y. doi :10.1103/PhysRevA.63.033404.
21. Беккер, А.; Фейсал, ФХМ (2005). "Теория S-матрицы с интенсивным полем многих тел". Журнал физики B: атомная, молекулярная и оптическая физика . 38 (3): R1. Bibcode : 2005JPhB...38R...1B. doi : 10.1088/0953-4075/38/3/R01. S2CID  14675241.
22. Staudte, A.; Ruiz, C.; Schöffler, M.; Schössler, S.; Zeidler, D.; Weber, T.; Meckel, M.; Villeneuve, D.; Corkum, P.; Becker, A.; Dörner, R. (2007). "Двойные и откатные столкновения при двойной ионизации гелия в сильном поле". Physical Review Letters . 99 (26): 263002. Bibcode : 2007PhRvL..99z3002S. doi : 10.1103/PhysRevLett.99.263002. PMID  18233574.
23. Руденко, А.; Де Иисус, В.; Эрглер, Т.; Зрост, К.; Фейерштейн, Б.; Шрётер, К.; Мошаммер, Р.; Ульрих, Дж. (2007). "Коррелированные спектры импульса двух электронов для несеквенциальной двойной ионизации Не в сильном поле при 800 нм". Physical Review Letters . 99 (26): 263003. Bibcode :2007PhRvL..99z3003R. doi :10.1103/PhysRevLett.99.263003. PMID  18233575.
24. Хаан, С.; Брин, Л.; Карим, А.; Эберли, Дж. (2006). «Переменная задержка во времени и обратный выброс в полноразмерном анализе двойной ионизации в сильном поле». Physical Review Letters . 97 (10): 103008. Bibcode : 2006PhRvL..97j3008H. doi : 10.1103/PhysRevLett.97.103008. PMID  17025816.
25. Ho, P.; Eberly, J. (2006). "In-Plane Theory of Nonsequential Triple Ionization" (Теория непоследовательной тройной ионизации в плоскости). Physical Review Letters . 97 (8): 083001. arXiv : physics/0605026 . Bibcode : 2006PhRvL..97h3001H. doi : 10.1103/PhysRevLett.97.083001. PMID  17026298. S2CID  8978621.
26. Фигейра Де Мориссон Фариа, C.; Лю, X.; Беккер, W. (2006). «Классические аспекты лазерно-индуцированной непоследовательной двойной ионизации выше и ниже порога». Журнал современной оптики . 53 (1–2): 193–206. Bibcode : 2006JMOp...53..193F. doi : 10.1080/09500340500227869. S2CID  120011073.
27. Бондарь, Д.; Лю, В.К.; Иванов, М. (2009). «Двухэлектронная ионизация в сильных лазерных полях ниже порога интенсивности: признаки аттосекундного времени в коррелированных спектрах». Physical Review A . 79 (2): 023417. arXiv : 0809.2630 . Bibcode :2009PhRvA..79b3417B. doi :10.1103/PhysRevA.79.023417. S2CID  119275628.