German Title: Atomare Prozesse mit getwisteten Teilchen: Photoionisation und Radiative Rekombination

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Abstract

Twisted photons and electrons are freely-propagating particles that carry orbital angular momentum (OAM) along their propagation direction. These twisted particles currently attract considerable interest in both fundamental and applied research and extensive studies have been performed to explore their basic properties and potential applications. In particular, much attention has been focused on how the'twistednes' of a particle may affect its interaction with light and matter. Two fundamental processes that can provide substantial insights into this (light-matter) interaction are the photoionization of atoms or ions as well as its (time-reversed) counterpart: radiative recombination. In this work, we develop a novel theoretical formalism to study (a) the ionization of hydrogen-like ions by twisted photons and (b) the radiative capture of twisted electrons by bare ions. For both processes, special attention is paid to the properties of the emitted particles —photons and electrons—as characterized by their angular distribution or polarization state. Calculations are performed based on the non-relativistic first-order perturbation theory and the density matrix approach. The obtained results show that the OAM of the incident twisted particle beam may significantly affect the properties of the outgoing particles in both, the ionization (a) and the recombination process (b). We demonstrate that such (OAM-dependent) effects can be observed most easily in the so-called nonparaxial beam regime where the magnitude of the transverse linear momentum of the incoming beam is of the same order as the longitudinal one.

Translation of abstract (German)

Getwistete Photonen und Elektronen sind frei propagierende Teilchen, die einen Bahndrehimpuls entlang der Propagationsrichtung besitzen. Diese getwisteten Teilchen erwecken zur Zeit großes Interesse in der fundamentalen sowie angewandten Forschung und zahlreiche Studien wurden durchgeführt, um die grundsätzlichen Eigenschaften und die potentiellen Anwendungen dieser Teilchen zu erkunden. Insbesondere wurde viel Aufmerksamkeit darauf gelenkt, wie der 'Twist' eines Teilchens die Wechselwirkung mit Licht und Materie beeinflussen kann. Zwei fundamentale Prozesse, die wesentliche Einsichten in diese (Licht-Materie) Wechselwirkung liefern können, sind die Photoionisation von Atomen oder Ionen sowie ihr (zeitinvertiertes) Gegenst¨uck, die radiative Rekombination. In dieser Arbeit entwickeln wir einen neuartigen theoretischen Formalismus um (a) die Ionisation von wasserstoff¨ahnlichen Ionen durch getwistete Photonen und (b)den radiativen Einfang getwisteter Elektronen durch 'nackte' Ionen zu studieren. Für beide Prozesse werden insbesondere die Eigenschaften der emittierten Photonen bzw. Elektronen betrachtet wie z.B. ihre Winkelverteilung oder ihr Polarisationszustand. Die zugehörigen Rechnungen basieren auf der nicht-relativistischen Störungstheorie erster Ordnung und auf dem Dichtematrixansatz. Die erlangten Resultate zeigen, dass der Bahndrehimpuls des einlaufenden getwisteten Teilchenstrahls die emittierten Teilchen im (a) Ionisations- oder (b) Rekombinationsprozess signifikant beeinflussen kann. Solche vom Bahndrehimpuls abhängigen Effekte können am einfachsten im nicht-paraxialem Strahlregime beobachtet werden, in dem der lineare Transversalimpuls des einlaufenden Strahls von der selben Größenordnung wie der longitudinale Impuls ist.