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Tunneling Time, Exit Time and Exit Momentum in Strong Field Tunnel Ionization

Teeny, Nicolas

German Title: Tunnelzeit, Ausgangszeit und Ausgangsimpuls in Starkfeld Tunnelionisation

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Abstract

Tunnel ionization belongs to the fundamental processes of atomic physics. It is still an open question when does the electron tunnel ionize and how long is the duration of tunneling. In this work we solve the time-dependent Schr{\"o}dinger equation in one and two dimensions and use \textit{ab initio} quantum calculations in order to answer these questions. Additionally, we determine the exit momentum of the tunnel ionized electron from first principles. We find out results that are different from the assumptions of the commonly employed two-step model, which assumes that the electron ionizes at the instant of electric field maximum with a zero momentum. After determining the quantum final momentum distribution of tunnel ionized electrons we show that the two-step model fails to predict the correct final momentum. Accordingly we suggest how to correct the two-step model. Furthermore, we determine the instant at which tunnel ionization starts, which turns out to be different from the instant usually assumed. From determining the instant at which it is most probable for the electron to enter the tunneling barrier and the instant at which it exits we determine the most probable time spent under the barrier. Moreover, we apply a quantum clock approach in order to determine the duration of tunnel ionization. From the quantum clock we determine an average tunneling time which is different in magnitude and origin with respect to the most probable tunneling time. By defining a probability distribution of tunneling times using virtual detectors we relate both methods and explain the apparent discrepancy. The results found have in general an effect on the interpretation of experiments that measure the spectra of tunnel ionized electrons, and specifically on the calibration of the so called attoclock experiments, because models with imprecise assumptions are usually employed in order to interpret experimental results.

Translation of abstract (German)

Tunnelionisation geh{\"o}rt zu den grundlegenden Prozessen in der Atomphysik. Es ist bis heute noch nicht klar, wann ein Elektron ionisiert und wie lang dieser Tunnelprozess dauert. In dieser Arbeit l{\"o}sen wir die zeitabh{\"a}ngige Schr{\"o}dingergleichung und wenden \textit{ab initio} Quantenberechnungen an, um diese Fragen zu beantworten. Zus{\"a}tzlich, durch Nutzen von Quantengrundprinzipien, legen wir den Ausgangsimpuls vom tunnelionisierten Elektron fest. Dadurch finden wir heraus, dass die Annahmen des oft angewendeten two-step Modells unpr{\"a}zis sind. Es wird in dem two-step Modell angenommen, dass das Elektron am Zeitpunkt des Maximums des elektrischen Feldes mit verschwindendem Impuls tunnelionisiert. Nach der Berechnung der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Endimpulses zeigen wir, dass das two-step Modell nicht den korrekten Endimpuls voraussagen kann. Aus diesem Grund leiten wir ein modifiziertes two-step Modell her, das den korrekten Endimpuls voraussagen kann. Au{\ss}erdem bestimmen wir einen Zeitpunkt, an dem die Tunnelionisation anf{\"a}ngt. Dieser Zeitpunkt unterscheidet sich von dem Zeitpunkt des Maximums des elektrischen Feldes. Durch die Bestimmung des wahrscheinlichsten Zeitpunktes, an dem das Elektron in die Tunnelbarriere eintritt, und des wahrscheinlichsten Zeitpunktes, an dem das Elektron ionisiert, definieren wir eine wahrscheinlichste Tunnelzeit. Dar{\"u}ber hinaus koppeln wir eine Quantenuhr an das Elektron, um die Dauer des Tunnelprozesses zu messen. Mithilfe der Quantenuhr berechnen wir eine durchschnittliche Tunnelzeit, die sich in Gr{\"o}{\ss}e und Ursprung von der wahrscheinlichsten Tunnelzeit unterscheidet. Um beide Tunnelzeiten zuzuordnen und die scheinbare Differenz zu erkl{\"a}ren, definieren wir eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Tunnelzeiten durch virtuelle Detektoren. Die Ergebnisse in dieser Arbeit haben allgemein einen Einfluss auf die Interpretation und Auswertung von Experimenten, welche das Impulsspektrum der tunnelionisierten Elektronen messen, weil {\"u}blicherweise Modelle mit unpr{\"a}zisen Annahmen angewendet werden, um experimentelle Ergebnisse zu interpretieren. Besonders haben sie Einfluss auf die Kalibrierung der sogenannten Attoclock Experimente.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Keitel, Honorarprof. Dr. Christoph H.
Date of thesis defense: 18 October 2016
Date Deposited: 28 Oct 2016 11:25
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
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