German Title: Multidimensionale Attosekunden-Interferometrie einzelner und zweier korrelierter Elektronen in Atomen

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Abstract

Within this work, electron dynamics in atoms are experimentally and numerically investigated on their natural attosecond time scales. To access these dynamics, ultrashort and moderately-intense few-cycle laser pulses are superposed with attosecond pulsed radiation in the extreme-ultraviolet spectral region. Both these sources are combined in a new experimental vacuum setup which was designed and built up from scratch, also in order to generate the attosecond pulses. Novel experimental schemes are developed which involve the temporal and spectral interferometric utilization of both ultrashort light sources and include the multidimensional spectroscopy employing different dynamical parameters. These are the intensity and the carrier-envelope phase of the laser pulses, as well as their temporal delay with respect to the attosecond pulses. Scientifically, the observation and control of the quantum-motion of bound electrons, as well as the laser-driven quasi-classical motion of free electrons was a key goal of this work. In particular, a bound two-electron wave packet in helium on attosecond time scales was experimentally observed for the first time. This was realized by combining unprecedented high temporal and spectral resolution. In addition, a new coupling mechanism of several doubly-excited states to an effective single-electron continuum is identified and analyzed. Both these two-electron states as well as single-electron states are interferometrically investigated with access to the phase of their quantum-mechanical wave function. This allows the observation and control of the quantum dynamics of two correlated electrons in atoms on the attosecond time scale which was demonstrated within the scope of this work.

Translation of abstract (German)

Innerhalb dieser Arbeit wird die Elektronendynamik in Atomen auf ihrer natürlichen Attosekundenzeitskala sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Für den Zugang zu dieser Dynamik werden ultrakurze Laserpulse moderater Intensität und weniger Zyklen Dauer überlagert mit attosekundengepulster Strahlung im extrem ultravioletten Spektralbereich. Beide Lichtquellen werden in einem von Grund auf geplanten und neu aufgebauten Vakuumapparat kombiniert, welcher auch zur Erzeugung der Attosekundenpulse verwendet wird. Neuartige experimentelle Methoden zur zeitlich und spektral interferometrischen Nutzung beider Lichtquellen werden entwickelt, wobei verschiedene dynamische Parameter in einem mehrdimensionalen Spektroskopieansatz Verwendung finden. Diese Parameter beinhalten sowohl die Intensität und die Träger-zu-Einhüllenden Phase der Laserpulse als auch deren zeitlichen Versatz zu den Attosekundenpulsen. Aus wissenschaftlicher Sicht war sowohl die Beobachtung und Kontrolle der Quantenbewegung gebundener Elektronen als auch die lasergetriebene quasiklassische Bewegung freier Elektronen ein zentrales Ziel dieser Arbeit. Insbesonders wurde ein gebundenes Zweielektronenwellenpaket in Helium auf der Attosekundenzeitskala zum ersten Mal experimentell beobachtet. Ermöglicht wurde dies durch eine bis dato nicht erreichte zugleich hohe zeitliche und hohe spektrale Auflösung. Weiterhin wird ein neuartiger Koppelmechanismus mehrerer zweifach angeregter Zustände mit einem effektiven Einelektronenkontinuum identifiziert und analysiert. Sowohl diese Zweielektronenzustände, als auch Einelektronenzustände werden interferometrisch erfasst, mit Zugang zur Phase ihrer quantenmechanischen Wellenfunktion. Dies ermöglicht die in dieser Arbeit demonstrierte Beobachtung und Kontrolle der Quantendynamik zweier korrelierter Elektronen in Atomen auf der Attosekundenzeitskala.