Studying Electron Dynamics using Attosecond Streaking

Abstract

In this thesis, a program was implemented to study the electron dynamics of photoionization.
These dynamics are probed by a streaking infrared field, that modulates the
electrons' trajectories. Analytical quantum mechanical calculations for such systems
are impossible without approximations or atoms more complex than hydrogen. However, using classical mechanics and Monte Carlo methods to capture the statistical behaviour of quantum mechanics, it was possible to extract the temporal dynamics of hydrogen and once ionized helium, and get good agreement with recent articles published
by [Nagele et al. 2011] (Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 44),
[Klünder et al. 2011] (Physical Review Letters, 106.14) and [Ivanov and Smirnova 2011]
(Physical Review Letters, 107.21).
The program was implemented on a Graphics Processing Unit, the computational
unit of a graphics card, which allows or massive parallelization of computations using
inexpensive computer hardware available to normal consumers.

Abstract (Swedish)

Om man fotojoniserar en atom, dvs. sliter loss en
elektron genom att belysa atomen, kommer elektronen att skjuta iväg
från atomen med en hastighet som beror på ljusets energi.
Dock kommer atomkärnan att försöka få elektronen att
återvända, jfr gravitationen. Om dessutom ett elektriskt fält, såsom
infrarött laserljus verkar på elektronen under jonisationen och
efteråt, kommer elektronen rörelse ytterligare förändras.

Elektronerna detekteras sedan och genom att mäta deras energi kan man
beräkna vilken styrka det infraröda laserljuset hade vid
jonisationstillfället (denna teknik kallas streaking). Det
visar sig dock att detta värde inte helt stämmer överens med den
styrka fältet faktiskt hade vid jonisationstillfället. Snarare passar
värdet med fältets styrka vid en tidpunkt strax innan. Denna
tidsskillnad beror på två saker:
1) genom att atomkärnan drar i elektronen fördröjs jonisationen och
2) genom att det infraröda fältet är närvarande under jonisationen
påverkas elektronens rörelse i förhållande till atomkärnan på ett
komplext sätt. Dessa tidsaspekter på fotojonisationen är mycket
intressanta att studera för grundläggande forskning i atomfysik.

Om det infraröda laserfältet är mycket starkt, kan det tvinga tillbaka
elektronen till atomkärnan, förutsatt att det är riktat åt rätt håll
under tillräckligt lång tid. När elektronen närmar sig kärnan, kan den
förra spridas mot den senare, "studsa", och röra sig bort med en högre
hastighet än den med vilken den närmade sig. Något liknande inträffar
när en komet närmar solen och slungas iväg när den passerat.

I mitt projekt har jag tittat närmare på dessa fenomen med hjälp av
klassiska (i motsats till kvantmekaniska, som annars är vanligast i
atomfysiken), statistiska beräkningar av ett slag som kallas
Monte Carlo-metoder (namnet kommer från statistiska studier av
tärningskastande som ju inte är en obekant företeelse på kasinot i
denna stad). Dessa har utförts på ett grafikkort i en vanlig dator.
Sådana grafikkort är speciellt lämpade för sådana här statistiska
beräkningar, där många oberoende försök måste göras för att ett
tillförlitligt resultat skall uppnås.

• author: Carlström, Stefanos
• supervisor: Johan Mauritsson
• organization: Atomic Physics
• alternative title: Classical Calculations with Monte Carlo Methods
• course: PHYM01 20112
• year: 2011
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Attosecond Physics, Streaking, Monte Carlo, GPU, Graphics Processing Unit
• publication/series: Lund Reports in Atomic Physics
• report number: LRAP-449
• language: English
• id: 3363139
• date added to LUP: 2013-03-07 19:53:59
• date last changed: 2013-03-07 19:53:59