В результате уникального эксперимента физики смогли провести полную фотоионизацию положительно заряженного иона. Эта работа важна для изучения нелинейных процессов, которые происходят благодаря новым источникам сверхкоротких ультрафиолетовых и рентгеновских импульсов. Результаты работы опубликованы в Nature Physics.

Фотоионизация характеризует взаимодействие излучения с веществом в крайней ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. В результате этого явления квант света поглощается, и из системы вылетает электрон. По фундаментальным законам квантовой механики волновую функцию вылетающего электрона можно разложить на несколько парциальных волн, чтобы описать состояние вылетающего электрона. Волновая функция электронов остаточного иона подчиняется аналогичным фундаментальным законам.

Чтобы полностью описать этот процесс, ученые должны были реконструировать волновые функции как вылетающих, так и связанных электронов, взаимодействующих с внешним излучением. В новой работе ученые из Италии, Германии, России и Японии смогли сделать это в двухфотонном процессе двойной ионизации в атомах неона. Для этого они провели так называемый полный эксперимент.

«Обычно полный эксперимент — это ряд экспериментов, проводимых в разное время в разных лабораториях и разными методами, результаты которых синтезируются в том самом наборе нескольких параметров, которые и являются целью такого эксперимента, — объясняет один из авторов работы, сотрудник МГУ имени М.В. Ломоносова Елена Грызлова. — Образно говоря, измерение одной отдельной величины — это наблюдение одной проекции, можно сказать, тени от процесса. Но тень может обмануть наблюдателя. Чтобы полностью восстановить объект, наблюдателю нужны разные проекции».

«Выполнив полный эксперимент, можно по нескольким измеренным параметрам восстановить любую принципиально наблюдаемую в изучаемом процессе величину и проверить теорию в степени, максимально возможной для квантовой механики», — добавляет другой автор, сотрудник МГУ имени М.В. Ломоносова Алексей Грум-Гржимайло.

Эксперимент проводился на лазере на свободных электронах FERMI (Триест, Италия), который может генерировать перестраиваемые по частоте и поляризации интенсивные ультракороткие импульсы в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. При этом физики измеряли угловые распределения вылетающих электронов при круговой и линейной поляризации излучения.

Высокая интенсивность FERMI позволяет атому последовательно поглощать два фотона с вылетом двух электронов, что приводит к образованию двукратно заряженных ионов. Параметры угловых зависимостей пиков в спектрах вылетающих электронов физики использовали для получения полной информации об амплитуде, об относительной фазе выходящих парциальных волн и о волновых функциях электронов, оставшихся в ионе. Подход позволил провести полную реконструкцию волновых функций связанных и несвязанных электронов. Такой эксперимент пока доступен на единственном в мире источнике излучения.