Population Oscillations in Excited Argon Atoms Initiated by Attosecond Pulses

Abstract

This project aims to study the process of electron excitation by a light pulse, a process at the core of many important contemporary and possible future devices. Data from an experiment where the electron dynamics is probed with attosecond laser pulses are analyzed in order to gain insight on the rapid population oscillations within the excited atomic system and simulations are constructed with the goal of mimicking structures found in the experimental data. The results imply that the effect of a third state, which is reached by interaction with an incident pulse, on the population oscillations might explain the experimentally observed structures. Some control might be possible to exempt on the composition of the superposition state of the electron, by varying the time when the pulse is incident on the atom.

Popular Abstract (Swedish)

Precis som en viss färg kan beskrivas som en specifik blandning av grundfärgerna, så kan också en elektron också beskrivas som en slags blandning. Den här blandningen kan påverkas av ljus så att "mängden" av de olika komponenterna förändras. Det här är intressant att undersöka, för om vi vet vilka förutsättningar som gör att elektronen hamnar i en viss blandning, så kan man återskapa de förutsättningarna och på så vis styra elektronen mer än vi kunnat innan.

Att på olika vis kontrollera elektroner och deras rörelser har varit viktigt för samhället sedan vi började använda elektricitet och har en central roll i alla elektriska apparater - men elektroner och deras egenskaper är också essentiella för mycket forskning i många olika fält, t.ex. materialforskning och astronomi. De senaste decennierna har tekniska framsteg gjort att man har hittat sätt att mäta och titta på hur elektronen förändras när den interagerar med ljus, som t.ex. i en laser.

Med sådan teknik kan man titta på vad som händer när man först tillför energi till elektronen med en ljusblixt, så att elektronen får tillräckligt med energi att den kan inkludera två olika energinivåer, eller "komponenter i elektronblandningen". Blandningen kommer sedan att förändras över tiden i ett cykliskt mönster.

En kort tid efter den första ljusblixten skickas en andra ljusblixt in, som tillför tillräckligt med energi till elektronen så att en tredje komponent med en hög energinivå kan inkluderas i blandningen. Även denna blandningen kommer förändras över tid men här avbryts inte processen av en ljusblixt utan elektronens blandade tillstånd stabiliseras. Genom att variera tiden mellan de två pulserna kan man få olika stabiliserade tillstånd.

Att man kan få olika stabiliserade tillstånd upptäcks eftersom att efter ett tag kommer det stabila blandade tillståndet att falla tillbaka till det tillstånd elektronen har då ingen extra energi blivit tillförd, och energiskillnaden mellan de två tillstånden skickas ut som en ljusblixt. Genom att analysera den utskickade ljusblixten kan man uttyda vilken komponent som varit mest framträdande i elektronblandningen.

För att kunna förstå bättre vad som händer när elektronen träffas av ljusblixtarna, simulerades en förenklad version av processen på digital väg.

Vad som går att uttyda ur de utsända ljusblixtarna och från simuleringen är att som väntat finns ett cykliskt mönster i hur elektronens blandade tillstånd förändras beroende på hur lång tid som går mellan ljusblixtarna. Det går också att se att den tredje komponenten påverkar hur de två andra komponenterna förhåller sig till varandra. Detta innebär att om resultaten stämmer, så kan elektronblandningen påverkas genom att styra hur lång tid som går mellan de två ljusblixtarna.

Dock finns en fysikaliskt orimlig storlek på resultaten, men detta är troligtvis på grund av sättet som simuleringen utförs på, och är något som borde kunna ändras för eventuella framtida liknande projekt.

Genom att mäta våglängden av det cykliska mönstret i resultaten kan man se att de två lägsta komponenterna borde vara de elektrontillstånd som de antogs vara från början, men det är fortfarande osäkert vilket elektrontillstånd den tredje komponenten är. Detta borde gå att ta reda på genom att modifiera experimentet och ta fler mätningar, eller genom att testa att simulera effekten av olika möjliga tredje tillstånd för att se om något av dem påverkar förhållandet mellan de andra två komponenterna på samma sätt som observerats i de existerande mätningarna.

För att sammanfatta resultaten kan man säga att projektet antyder att man med den teknik som finns tillgänglig idag borde kunna ta ett steg till på vägen mot att kunna styra elektronblandningen mot precis den "färg" på elektronen man vill ha.

• author: Olofsson, Anna
• supervisor: Johan Mauritsson; Samuel Bengtsson
• organization: Atomic Physics; Department of Physics
• course: FYSK02 20161
• year: 2016
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Atomic Physics, Attosecond Physics, Population Transfers
• language: English
• id: 8879740
• date added to LUP: 2016-06-13 17:07:32
• date last changed: 2016-11-15 14:05:32