Electronic correlation effects in helium on the attosecond time scale

Abstract

In dieser theoretischen Arbeit werden Elektronenkorrelationseffekte in Helium mittels numerischer Simulationen der Wechselwirkung des Atoms mit ultrakurzen und starken Laserpulsen untersucht. Der Elektron-Elektron Wechselwirkungsterm wird in der numerischen Lösung der Schrödingergleichung vollständig berücksichtigt, um Zweielektroneneffekte bestmöglich untersuchen zu können. Korrelationseffekte bei der Doppelionisation von Helium durch Absorption von einem oder zwei Photonen werden mit Hilfe eines einzelnen Laserpulses im extrem ultravioletten Bereich untersucht. Bei der Doppelionisation mit zwei Photonen wird zwischen dem sequentiellen und dem nicht sequentiellen (direkten) Prozess unterschieden. Beim direkten Prozess werden die beiden Photonen gleichzeitig absorbiert, während bei der sequentiellen Ionisation die beiden Elektronen hintereinander und unabhängig voneinander ionisiert werden. Die Unterschiede zwischen diesen beiden Prozessen, sowie der direkten Doppelionisation mit nur einem Photon werden anhand des Vergleichs zwischen energie- und/oder winkeldifferentiellen Wahrscheinlichkeitsverteilungen aufgezeigt. Mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen die nur einige hundert Attosekunden lang sind (entsprechend der Zeitskala der Elektronenbewegung in Atomen) können auch im sequentiellen Prozess Korrelationseffekte sichtbar gemacht werden. Diese führen zu einer einheitlicheren Energieverteilung sowie zu einer bevorzugten Emission in entgegengesetzte Richtungen aufgrund der Coulombabstoßung. Darüber hinaus können auch sogenannte "post-collision" Effekte sichtbar gemacht werden.<br />"Pump-probe" Anordnungen bieten eine weitere Möglichkeit zur Untersuchung von Korrelationseffekten. In diesem Zusammenhang werden Impulsverteilungen eines Einfachionisationsprozesses in einem äußeren Infrarotfeld präsentiert und mit effektiven Einelektronenrechnungen verglichen. Außerdem wird ein Experiment zur Untersuchung von "shake-up"-Zuständen, die aus einem Zweielektronenprozess resultieren, vorgeschlagen.<br />

In this theoretical work electronic correlation effects in helium are studied with the help of numerical calculations on the interaction of the atom with ultrashort and intense laser fields. The numerical solution of the time-dependent Schrödinger equation takes the electron-electron interaction term fully into account allowing to investigate two-electron effects. In the simulations a single extreme ultraviolet laser pulse is used to investigate double ionization of helium by one or two photons. The two-photon double ionization process can be either sequential, where single ionization by one photon and subsequent ionization of the other electron by the second photon take place independently of each other, or nonsequentiel (direct). The differences between these two processes and the direct one-photon two-electron Coulomb-breakup are investigated by comparing energy- and/or angle- differential probability distributions. For pulse durations of only a few hundred attoseconds (the time scale of electronic motion in atoms) correlation effects become visible. The shorter the pulse the more uniformly the energy is shared between the two electrons and a preference for back-to-back emission due to the Coulomb repulsion is observed. Also post-collision effects become visible.<br />Pump-probe setups offer another possibility for the investigation of electron dynamics. In this context momentum distributions of singly ionized electrons in a probing infrared field are compared with the results of a single-active-electron approach. Finally an experiment for the study of shake-up states, a prominent two-body process, is proposed.