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Relativistic features and time delay of laser-induced tunnel-ionization

Yakaboylu, Enderalp

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Abstract

Tunnel-ionization is investigated in the framework of relativistic quantum mechanics. For an arbitrary constant electromagnetic field a gauge invariant energy operator is introduced in order to identify the classically forbidden region for tunnel-ionization. Furthermore, relativistic features of tunnel-ionization are explored. A one-dimensional intuitive picture predicts that the ionized electron wave packet in the relativistic regime experiences a momentum shift along the laser’s propagation direction. This is shown to be consistent with the well-known strong field approximation. Furthermore, spin dynamics in tunnel-ionization process is discussed in the standard as well as in the dressed strong field approximation. Next, the tunneling time delay is investigated for tunnel-ionization by extending the definition of the Wigner time delay. Later, this concept is redefined in terms of the phase of the fixed energy propagator. The developed formalism is applied to the deep-tunneling and the near-threshold-tunneling regimes. It is shown that in the latter case signatures of the tunneling time delay can be measurable at remote distance. Finally, the path-dependent formulation of gauge theory is discussed. It is demonstrated that this equivalent formulation of gauge theory leads to a canonical gauge fixing, in which the Feynman path integral becomes more intuitive and the calculation of the quasiclassical propagator is considerably simplified

Translation of abstract (German)

Die Tunnelionisierung wird im Rahmen der relativistischen Quantenmechanik untersucht. Dies geschieht, indem f¨ur ein beliebiges konstantes elektromagnetisches Feld ein Energieoperator eingef¨uhrt wird, mit dessen Hilfe sich der klassisch verbotene Bereich der Tunnelionisation identifizieren l¨asst. Außerdem werden die relativistischen Signaturen der Tunnelionisation erforscht. Ein eindimensionales, intuitives Bild sagt eine Verschiebung des Impulses entlang der Laserpropagationsrichtung f¨ur das Wellenpaket des ionisierten Elektrons voraus. Es zeigt sich, dass diese Beobachtung mit der etablierten Starkfeld-N¨aherung konsistent ist. Dar¨uber hinaus wird die Spin-Dynamik w¨ahrend der Tunnelionisation sowohl in der Standard- als auch in einer modifizierten Starkfeld-N¨aherung diskutiert. Als N¨achstes wird die Zeitverzgerung w¨ahrend der Tunnelionisation mithilfe einer erweiterten Definition der Wigner-Zeitverzgerung untersucht. Anschließend wird dieses Konzept unter Bezug auf die Phase des Propagators zu fester Energie umdefiniert. Der entwickelte Formalismus wird auf das tiefe Tunnelregime und den schwellennahen Bereich angewendet. Es wird gezeigt, dass auch in großer Entfernung in letzterem Fall Signaturen der durch den Tunnelprozess auftretenden Zeitverzgerung noch messbar sind. Schließlich wird eine pfadabh¨angige Formulierung der Eichtheorie diskutiert. Diese ¨aquivalente Formulierung der Eichtheorie f¨uhrt zu einer kanonischen Eichung, in welcher das Feynman’sche Pfadintegral besonders intuitiv erscheint und sich die Berechnung des quasiklassischen Propagators stark vereinfacht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Keitel, Hon. Prof. Dr. Christoph H.
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 6 February 2014
Date Deposited: 21 Feb 2014 10:17
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
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