Quantum Coherence and Entanglement in Ultrafast Laser-Assisted Photoionisation

Abstract (Swedish)

Attofysik är förankrad i ljus-materia växelverkan som uppkommer från starka fält, vilken gör det möjligt att generera, kontrollera och mäta elektroners dynamik på deras naturliga tidsskala. Kvantsammanflätning och koherens mellan fotoelektron och jon i laserassisterad ultrasnabb fotojonisation är väsentliga för att kunna förstå den underliggande dynamiken och kontroll över det korrelerade tvådelade systemet. Detta arbete undersöker rollen hos ett assisterande infrarött laserfält tillsammans med ett joniserande extremt ultraviolett fält för jonkoherens och von Neumann entropi i en tvåkanalsmodell med ett nytt tillvägagångssätt baserat på Keldysh-Faisal-Reiss teori. Metoden är även utvecklad och validerad i jämförelse med tidigare forskning och en annan modell med avseende på fotoelektronspektroskopi, där den visar god överensstämmelse. För den använda modellen visar resultaten att ickelinjära processer bidrar till koherensen, vilken är maximal för korta pulser, till skillnad från tidigare forskning från Pabst et al. [1]. Dock är koherensen liten som funktion av pulstid och bidrar till entropin i liten utsträckning, vilken visas vara framförallt driven av jonisationshastighet. Vidare visas att det assisterande laserfältet har liten inverkan på entropin i systemet om den är centrerad med det joniserande fältet, men en signifikant påverkan om den relativa fasskillnaden mellan bärande och omslutande puls är en kvartscykel (π/2). Metoden visar lovande resultat i simulering av ultrasnabb kvantsammanflätning och erbjuder framtida generaliserbarhet genom att integrera tvärsnittsbaserade modeller för dipolmatriselement, som tar modellen närmre fysikaliska system med elektronkorrelationsverkan.

Abstract

Attosecond physics is embedded in strong-field light-matter interactions, which enable the generation, control, and measurement of electron dynamics on their natural timescale. The entanglement and coherence between the photoelectron and ion in laser-assisted ultrafast photoionisation are fundamental to understanding the underlying dynamics and control of the correlated bipartite system. This work investigates the role of an assisting infrared laser field alongside an ionising extreme ultraviolet field for ionic coherence and von Neumann entropy in a two-channel model using a novel approach based on Keldysh-Faisal-Reiss theory. The method is also developed and verified against previous research and another model for photoelectron spectroscopy, and demonstrates good agreement therein. For the regarded model, results show that non-linear processes contribute to the coherence, which is maximal for short pulse durations, in contrast to earlier research of Pabst et al. [1]. However, the coherence is small across pulse duration and contributes in a minor way to the entropy measure, which is shown to be mainly driven by ionisation rate. Therein, the assisting field is shown to have little effect on entropy and coherence in the system if it is centred with the ionising field, but a significant effect if the relative phase between carrier and envelope is a quarter cycle (π/2). The method shows promising results in simulating ultrafast entanglement and offers future generalizability by incorporating cross-section-based models of dipole matrix elements, approaching physical models with electron correlation effects.

Popular Abstract

Electrons in New Light

Can we control electrons on their natural timescale? This thesis demonstrates promising and previously overlooked features that can enable precise control in future experiments.

Imagine two swings swinging back and forth. If they are synchronised, we say they are coherent. In quantum mechanics, these swings can represent ionised electrons with different amplitudes and phases, created when an atom loses an electron. Two swings are in phase if their positions and direction match. The swings are figuratively pushed by a laser, giving them their amplitude and phase.

The electrons can have different energies after being released. As a result, there are many possibilities, called paths, for the electron to be to take once released. By considering the many possible paths from two ionised electrons, this study found that it is possible to increase coherence between them. Consequently, we are able to better understand and predict complex quantum systems. In ionisation, the loss of coherence often blurs information when we try to measure the system as the electron departs from the atom.

In a brief moment, the electron is still tethered to the remaining ion and shares the same rhythm, like two dancers stepping apart. This link is called entanglement. The picture of their shared motion stays clear so long as the coherence remains high.

High coherence gives an opportunity to study processes that happen within a billionth of a billionth of a second (attosecond) before decoherence occurs, which a traditional camera cannot see. For example, it could enable high-resolution imaging, quantum computing, or control of chemical reactions. This enhanced coherence can shine new light on mechanics in the attosecond timescale and opens new possibilities for measuring and controlling ultrafast ionisation. One of many steps to bringing attophysics into the world of real applications.

Popular Abstract (Swedish)

Elektroner i nytt ljus

Kan vi styra elektroner på deras naturliga tidsskala? Detta arbetet visar på lovande och tidigare förbisedda effekter som kan göra det möjligt att få precisionsstyrning i framtida experiment.

Tänk dig två gungor som gungar fram och tillbaka. Om de är synkroniserade säger vi att de är koherenta. I kvantmekaniken kan dessa gungorna representera joniserade elektroner med olika amplituder och faser, som skapas när atomen förlorar sin elektron. Två gungor är i fas om deras position och riktning matchar. Gungorna tänker vi puttas på av en laser, som ger dem deras amplitud och fas.

Elektronerna kan ha olika energier efter de har släppts från atomen. Till följd av detta finns det många olika möjligheter, så kallade vägar, att kan tas efter frigivning. Genom att ta hänsyn till många olika vägar från två joniserade elektroner fann detta arbete att det är möjligt att öka koherensen mellan dem. Det möjliggör vår möjlighet att förstå och predicera komplexa kvantsystem. I jonisation suddas information om systemet ut genom förlusten av koherens om vi skulle försöka mäta elektronen när den lämnar atomen.

I ett kort ögonblick är elektronen fortfarande bunden till jonen och delar samma rytm, som två dansare som kliver isär. Bilden av deras rörelse är förblir tydlig så länge som koherensen är hög.

Hög koherens ger möjligheten att studera processer som sker inom en miljarddels miljarddels sekund (attosekund) innan dekoherens inträffar. Sådana processer kan inte en vanlig kamera fånga på bild. Det kan till exempel möjliggöra högupplöst avbildning, kvantberäkning eller styrning av kemiska reaktioner. Denna möjlighet att förbättra koherensen kan skina nytt ljus på mekanismer på attosekundstidsskalan och skapa nya möjligheter för mätning och styrning i ultrasnabb jonisation. Det är ett av många steg för att ta attofysik till applikationer i samhället.

• author: Nilsson, Dennis
• supervisor: Marcus Dahlström
• organization: Mathematical Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20252
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Laser-assisted photoionisation, Electron–ion entanglement, Keldysh–Faisal–Reiss theory, Coherence, Strong-field physics. Laserassisterad fotojonisering, Elektron–jon-sammanflätning, Keldysh–Faisal–Reiss teori, Koherens, Starkfältsfysik
• language: English
• id: 9219630
• date added to LUP: 2026-01-20 12:07:13
• date last changed: 2026-01-21 10:58:07