Μικροσκοπία φωτοϊονισμού στο άτομο του μαγνησίου

Abstract

Photoionization Microscopy (PM) is an experimental technique aiming at the observation of the squared modulus of the wave function of electrons emitted during the photoionization of neutral atoms in the presence of a uniform static electric field. This is achieved by imaging the two-dimensional flux of these slow (meV) photoelectrons. The present work is devoted to the magnesium atom (Z=12), ionized by two-photon absorption out of its ground state. Particularly, in this thesis the following three directions have been examined: The first direction concerns the recording and characterization of Mg resonant images. Indeed, images exhibiting resonant features are recorded just above the saddle point energy. Although these manifestations are found to be rather faint, they have been achieved for the heaviest atom so far, since all other resonant images were observed in small-size atoms (Z≤3). In the second direction, the aim is the detailed recording of the (primarily non-resonant) momentum distributions of the outgoing electron transversely to the static electric field. The purpose here is the exploration of the global (i.e. of that met in any atom and irrespective of excitation conditions) information these distributions may provide through the analysis of their rich interference patterns. Particularly, it is shown that the oscillations of the signal at the center of the images as a function of energy, is closely related to the dynamics of the electron motion towards the detector. Finally, in the third direction we explore the effects observed in slow photoelectron images when the linear polarization vector of the ionizing-laser is rotated with respect to the static field axis. It is shown that two-photon ionization out of the Mg m=0 initial state allows for the population of |m|=0,1,2 final Stark states, causing observable m-beating effects. Additionally, based on these observations, we discuss the challenges posed on the applicability of tomographic reconstruction techniques when meV electrons are involved. In all of the above directions, experimental results are supported and verified by our hydrogenic non-perturbative calculations.

Η μικροσκοπία φωτοϊονισμού (ΜΦ) είναι μια από τις λίγες τον αριθμό τεχνικές οι οποίες στοχεύουν στην απευθείας καταγραφή του τετραγωνισμένου μέτρου της ηλεκτρονιακής κυματοσυνάρτησης (πυκνότητα πιθανότητας). Πιο συγκεκριμένα η ΜΦ είναι μια απεικονιστική τεχνική που επιτρέπει την καταγραφή της ροής του ηλεκτρονιακού ρεύματος, το οποίο εκπέμπεται κατά την διαδικασία φωτοϊονισμού ουδετέρων ατόμων, υπό την παρουσία στατικού και ομογενούς ηλεκτρικού πεδίου. Στην παρούσα εργασία η ΜΦ εφαρμόζεται στο άτομο του μαγνησίου, το οποίο ιονίζεται μέσω ενός διφωτονικού σχήματος διέγερσης ξεκινώντας από την βασική του κατάσταση. Τα πειραματικά δεδομένα υποστηρίζονται από υπολογισμούς στο άτομο του υδρογόνου, ενώ η μελέτη χωρίζεται σε τρεις επιμέρους άξονες: (i) Ο πρώτος άξονας αφορά στην καταγραφή και τον χαρακτηρισμό συντονιστικών καταστάσεων του μαγνησίου στην ενεργειακή περιοχή ακριβώς επάνω από την ενέργεια σαγματικού σημείου. Έτσι το μαγνήσιο αποτελεί το μεγαλύτερο άτομο για το οποίο έχει γίνει η παρατήρηση συντονιστικών χαρακτηριστικών. Παρ’ όλα αυτά τα χαρακτηριστικά αυτά βρέθηκαν να είναι λιγότερο εμφανή σε σχέση με τα αποτελέσματα προηγούμενων μελετών σε μικρά άτομα (Z≤3). (ii) Όσον αφορά στον δεύτερο άξονα, δίνεται έμφαση στη λεπτομερή καταγραφή των (κυρίως μη-συντονιστικών) κατανομών την ορμής των φωτοηλεκτρονίων, στην διεύθυνση κάθετα στο στατικό ηλεκτρικό πεδίο. Στόχος είναι η εξερεύνηση των καθολικών (ανεξαρτήτως του ατόμου στόχου) πληροφοριών, που μπορούν να εξαχθούν από την ανάλυση των μοτίβων συμβολής. Με αυτό τον τρόπο αποδεικνύεται πως οι ταλαντώσεις έντασης στο κέντρο των εικόνων ΜΦ ως συνάρτηση της ενέργειας συνδέονται με την δυναμική των φωτοηλεκτρονίων.και τέλος (iii) Μελετώνται τα παρατηρούμενα φαινόμενα που εμφανίζονται στις εικόνες ΜΦ όταν το διάνυσμα της γραμμικής πόλωσης της δέσμης laser στρέφεται σε σχέση με την διεύθυνση του στατικού ηλεκτρικού πεδίου. Αποδεικνύεται πως, ξεκινώντας από την βασική κατάσταση του μαγνησίου με m=0, η διφωτονική απορρόφηση οδηγεί στη διέγερση τελικών καταστάσεων Stark με |m|=0,1,2. Αυτές οι καταστάσεις πολλαπλών τιμών του |m|, συμβάλουν μεταξύ τους με αποτέλεσμα οι εικόνες ΜΦ να παρουσιάζουν μια περίπλοκη ακτινική και γωνιακή κατανομή. Τέλος, αναφορικά με τα παραπάνω αποτελέσματα, συζητούνται οι προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι τεχνικές τομογραφικής ανακατασκευής σε πειράματα όπου εμπλέκονται αργά ηλεκτρόνια.