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Investigation of the Kapitza-Dirac effect in the relativistic regime

Ahrens, Sven

German Title: Untersuchung des Kapitza-Dirac Effekts im relativistischen Bereich

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Abstract

Quantum mechanical diffraction is of particular interest, because it contradicts our everyday life experience. This theoretical work considers the diffraction of electrons at standing waves of light, referred to as the Kapitza-Dirac effect. The work focuses on a special version of a Kapitza-Dirac effect in which the electron interacts with three photons. The particular property of this 3-photon Kapitza-Dirac effect is, that the electron spin is rotated. This work considers different relativistic and non-relativistic quantum mechanical wave equations which are described in momentum space. On one hand, the quantum dynamics of the diffracted electrons is solved numerically in momentum space and the properties of the 3-photon Kapitza-Dirac effect are investigated in detail. On the other hand, the quantum dynamics is solved via time-dependent perturbation theory and is compared with the numerical results. In contrast to the originally proposed Kapitza-Dirac effect with two interacting photons, the number of absorbed and emitted photons by the electron is not equal for the 3-photon Kapitza-Dirac effect. Therefore, the diffraction process only appears for relativistic electron momenta in laser propagation direction. Furthermore, a very high field strength of the laser beam is required for driving the Kapitza- Dirac effect with a measurable diffraction probability. The electron spin is rotated along the axis of the magnetic field of the laser beam, when it undergoes the diffraction process. The rotation angle of the spin rotation depends on the electron momentum component in laser polarization direction. Therefore, the probability for flipping the electron spin can be tuned by choosing the electron momentum in the direction of the laser polarization. An experimental investigation may by established by utilizing future X-ray laser facilities.

Translation of abstract (German)

Quantenmechanische Beugungseffekte sind von besonderem Interesse, da sie unserer Alltagserfahrung widersprechen. Diese theoretische Arbeit befasst sich mit der Beugung von Elektronen an stehenden Lichtwellen, dem sogenannten Kapitza-Dirac Effekt. Ein besonderer Fokus wird dabei auf eine spezielle Variante des Kapitza-Dirac Effektes gelegt, in welcher das Elektron mit drei Photonen wechselwirkt. Eine besondere Eigenschaft dieses 3-Photonen Kapitza-Dirac Effektes ist, dass in diesem Fall der Spin des Elektrons bei der Beugung am optischen Gitter gedreht wird. Die theoretischen Rechnungen in dieser Arbeit basieren auf verschiedenen relativistischen und nicht-relativistischen quantenmechanischen Wellengleichungen, die im Impulsraum formuliert werden. Einerseits wird die quantenmechanische Dynamik der gebeugten Elektronen numerisch im Impulsraum gelöst, um die Eigenschaften des 3-Photonen Kapitza-Dirac Effektes detailliert herauszuarbeiten. Andererseits werden die Gleichungen mit zeitabhängiger Störungstheorie gelöst und den numerischen Ergebnissen gegenüber gestellt. Im Gegensatz zu der von Kapitza und Dirac vorgeschlagenen Elektronenbeugung unter Beteiligung zweier Photonen, ist die Anzahl der vom Elektron absorbierten und emittierten Photonen beim 3-Photonen Kapitza-Dirac Effekt nicht gleich groß. Aus diesem Grund findet der in dieser Arbeit diskutierte Beugungsvorgang nur für Elektronen mit einem relativistischen Impuls in Laserpropagationsrichtung statt. Zudem sind sehr hohe Laserfeldstärken nötig, um den Übergang mit einer messbaren Übergangswahrscheinlichkeit zu treiben. Der Spin des Elektrons wird beim Beugungsvorgang um die Magnetfeldachse des Laserstrahls gedreht, mit einem Drehwinkel, der vom Elektronenimpuls in Laserpolaristationsrichtung abhängt. Die Wahrscheinlichkeit für das Umklappen des Elektronenspins lässt sich durch die Wahl des Elektronenimpulses in Laserpolaristationsrichtung gezielt einstellen. Eine experimentelle Untersuchung der Vorhersagen kann mit zukünftigen Röntgenlasern erreicht werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Keitel, Prof. Dr. Christoph H.
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 14 November 2012
Date Deposited: 28 Nov 2012 09:23
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
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