Chiral photoelectron angular distributions from ionization of achiral atomic and molecular species

We show that the combination of two achiral components - atomic or molecular target plus a circularly polarized photon - can yield chirally structured photoelectron angular distributions. For photoionization of CO, the angular distribution of carbon K-shell photoelectrons is chiral when the molecular axis is neither perpendicular nor (anti-)parallel to the light propagation axis. In photo-double-ionization of He, the distribution of one electron is chiral, if the other electron is oriented like the molecular axis in the former case and if the electrons are distinguishable by their energy. In both scenarios, the circularly polarized photon defines a plane with a sense of rotation and an additional axis is defined by the CO molecule or one electron. This is sufficient to establish an unambiguous coordinate frame of well-defined handedness. To produce a chirally structured electron angular distribution, such a coordinate frame is necessary, but not sufficient. We show that additional electron-electron interaction or scattering processes are needed to create the chiral angular distribution

Angular dependence of the Wigner time delay upon tunnel ionization of H2H_{2}

More than 100 years after its discovery and its explanation in the energy domain, the duration of the photoelectric effect is still heavily studied. The emission time of a photoelectron can be quantified by the Wigner time delay. Experiments addressing this time delay for single-photon ionization became feasible during the last 10 years. A missing piece, which has not been studied, so far, is the Wigner time delay for strong-field ionization of molecules. Here we show experimental data on the Wigner time delay for tunnel ionization of $H_{2}$ molecules and demonstrate its dependence on the emission direction of the electron with respect to the molecular axis. We find, that the observed changes in the Wigner time delay can be quantitatively explained by elongated/shortened travel paths of the electrons that are due to spatial shifts of the electron's birth position after tunneling. This introduces an intuitive perspective towards the Wigner time delay in strong-field ionization.Comment: 17 pages, 6 figure

Revealing the two-electron cusp in the ground states of He and H2 via quasifree double photoionization

We report on kinematically complete measurements and ab initio nonperturbative calculations of double ionization of He and H 2 by a single 800 eV circularly polarized photon. We confirm the quasifree mechanism of photoionization for H 2 and show how it originates from the two-electron cusp in the ground state of a two-electron target. Our approach establishes a method for mapping electrons relative to each other and provides valuable insight into photoionization beyond the electric-dipole approximation.We acknowledge support by DFG and BMBF

Subcycle interference upon tunnel ionization by counter-rotating two-color fields

We report on three-dimensional (3D) electron momentum distributions from single ionization of helium by a laser pulse consisting of two counter-rotating circularly polarized fields (390 and 780 nm). A pronounced 3D low-energy structure and subcycle interferences are observed experimentally and reproduced numerically using a trajectory-based semiclassical simulation. The orientation of the low-energy structure in the polarization plane is verified by numerical simulations solving the time-dependent Schrödinger equation.This Rapid Communication was supported by the DFG Priority Programme “Quantum Dynamics in Tailored Intense Fields” of the German Research Foundation (Project No. DO 604/29-1). A.H. and K.H. acknowledge support from the German Merit Foundation. A.K. acknowledges support from the Wilhelm and Else Heraeus Foundation

High-Energy Molecular-Frame Photoelectron Angular Distributions: A Molecular Bond-Length Ruler

We present an experimental and theoretical study of core-level ionization of small hetero- and homo-nuclear molecules employing circularly polarized light and address molecular-frame photoelectron angular distributions in the light's polarization plane (CP-MFPADs). We find that the main forward-scattering peaks of CP-MFPADs are slightly tilted with respect to the molecular axis. We show that this tilt angle can be directly connected to the molecular bond length by a simple, universal formula. The extraction of the bond length becomes more accurate as the photoelectron energy is increased. We apply the derived formula to several examples of CP-MFPADs of C 1s and O 1s photoelectrons of CO, which have been measured experimentally or obtained by means of ab initio modeling. The photoelectron kinetic energies range from 70 to 1000~eV and the extracted bond lengths agree well with the known bond length of the CO molecule in its ground state. In addition, we discuss the influence of the back-scattering contribution that is superimposed over the analyzed forward-scattering peak in case of homo-nuclear diatomic molecules as N$_2$

Multikoinzidenzstudien zur Ionisation chiraler Moleküle in kurzen Laserpulsen

Chiralität ist in der belebten Natur ein omnipräsentes Phänomen und beschreibt die Symmetrieeigenschaft eines Objektes, dass dieses von seinem Spiegelbild unterscheidbar ist. Die bisherigen Untersuchungen der Wechselwirkung zwischen chiralen Molekülen und Licht fokussieren sich auf das Regime der Ein- und Multiphoton-Ionisation und wird mit dieser Arbeit um Untersuchungen im Starkfeldregime erweitert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Experimente an einzelnen chiralen Molekülen in starken Laserfeldern vorbereitet, durchgeführt, analysiert und alle geladenen Fragmente in Koinzidenz untersucht. Die Präsentation der Ergebnisse orientierte sich an der Reihenfolge, in der auch die Datenauswertung von Vielteilchenaufbrüchen vonstattengeht: Zunächst wurde der Dichroismus in den Photoionen (PICD) auf chirale Signale in integraler differentieller Form untersucht, dann wurde die Asymmetrien in den Elektronenverteilungen vorgestellt und abschließend die Zusammenhänge zwischen den Ionen- und Elektronenverteilungen aufgezeigt. Kapitel 6 untersuchte die (differentielle) Ionisations- und Fragmentationswahrscheinlichkeit von verschiedenen chiralen Molekülen. Die in Kapitel 6.1 präsentierten Daten verknüpften erstmals den bereits in der Literatur diskutierten Zirkulardichroismus in den Zählraten von Photoionen (PICD) mit dem signalstärkeren differentiellen PICD in der Einfachionisation von Methyloxiran. Dissoziiert das Molekül nach der Ionisation rasch genug, gewährt der Impulsvektor des geladenen Fragments Zugang zu einer Fragmentationsachse. Durch die Auflösung nach einer Molekülachse ist der beobachtete PICD fast eine Größenordnung stärker, als der über alle Raumrichtungen integrierte. In steigender Komplexität wurde in Kapitel 6.2 eine Fragmentation in vier Teilchen von Molekülen aus einem racemischen Gemisch von CHBrClF untersucht. Über die Auswertung eines Spatproduktes aus den Impulsvektoren konnte für jedes Molekül dessen Händigkeit bestimmt und der vollständig differentielle PICD untersucht werden. Durch das Festhalten einer Fragmentationsachse (analog zu Kapitel 6.1) konnten um einen Faktor vier stärkere PICD-Signale und durch das Auflösen nach der vollständigen Molekülorientierung die Signalstärke des PICD um einen Faktor von etwa 16 in den Bereich einiger Prozente gebracht werden. Leider übersteigt die theoretische Beschreibung dieses Prozesses den aktuellen Stand der Forschung weit. Daher kann nicht ausgeschlossen werden, dass nicht ein Beitrag zur PICD-Signalverstärkung auch aus der Dynamik der sequentiellen vielfachen Ionisation stammt. Die untersuchte Reaktion in Kapitel 6.3 war der Fünf-Teilchenaufbruch der achiralen Ameisensäure. In der Messung aller ionischen Fragmente konnten analog zu dem vorherigen Kapitel die internen Koordinaten sowie die Orientierung des Moleküls ermittelt werden. Tatsächlich wurde von einer chiralen Fragmentation der achiralen Ameisensäure berichtet. Welches Enantiomer in der Fragmentation beobachtet wird, hängt maßgeblich von der Molekülorientierung relativ zum ionisierenden Laserpuls ab. Diese Erkenntnis könnte zu neuen Ansätzen für Laserkatalysierte enantioselektive Reaktionen führen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die beobachtete Händigkeit des Moleküls nicht nur von seiner Orientierung, sondern auch von der Helizität des ionisierenden Laserpulses abhängt. Dieser differentielle PICD an der Ameisensäure zeigte sich neben einer sehr großen Signalstärke von über 20 % auch als sensitive Probe für die molekulare Struktur. In Kapitel 7 wurden die Untersuchungen an den 3-dimensionalen Impulsverteilungen der Photoelektronen vorgestellt. Zunächst wird hierzu auf die allgemeine Form des Dichroismus in den Photoelektronen (PECD) im Starkfeldregime eingegangen und die vorherrschenden Symmetrien des Ionisationsregimes herausgearbeitet (Kapitel 7.1). Mit leicht steigender Komplexität konnte eine klare Verbindung zwischen der Asymmetrie in der Elektronenverteilung und dem Schicksal des zurückbleibenden molekularen Ions anhand der Einfachionisation von Methyloxiran herausgearbeitet werden (Kapitel 7.2). Dies hat eine wichtige Auswirkung auf die Nutzbarkeit des PECD im Starkfeldregime als Analysemethode für Chemie und Pharmazie: Der über alle Fragmentationskanäle integrierte PECD ist sensitiv auf die Gewichtung der Fragmente und damit auch auf beispielsweise die maximale Laserintensität. Die Daten legen nahe, dass die Abhängigkeit des PECD von dem Fragmentationskanal auf die unterschiedliche Auswahl von Subensembles molekularer Orientierungen zurückzuführen ist. Bei Verwendung von elliptisch polarisiertem Licht treten gegenüber der zirkularen Polarisation eine Reihe neuer Effekte auf (Kapitel 7.3). Zunächst zeigt der PECD auch im Starkfeldregime eine nicht lineare Sensitivität auf den Polarisationszustand, welche sich auch als Funktion des Elektronentransversalimpulses und dem Fragmentationskanal ändert. Somit ist die Verwendung von elliptisch polarisiertem Licht bestens für die chirale Erkennung geeignet, wie inzwischen auch in der Literatur bestätigt wurde. Darüber hinaus führt die gebrochene Rotationssymmetrie bei elliptisch polarisiertem Licht zu einer Elektronenimpulsverteilung, welche selbst chiral ist: Der PECD variiert je nach Winkel φ in der Polarisationsebene, wobei die Extrema des PECD nicht mit den Maxima der Zählraten übereinstimmen. Als neue chirale Beobachtungsgröße konnten wir eine enantiosensitive und vorwärts-/rückwärtsasymmetrische Rotation der Zählratenmaxima einführen. Als abgeleitete Größe aus derselben drei-dimensionalen Elektronenverteilung ist diese Beobachtungsgröße jedoch untrennbar verknüpft mit dem ϕ-abhängigen PECD. Kapitel 8 verknüpfte das (partielle) Wissen um die molekulare Orientierung und den PICD mit den Asymmetrien der Elektronenverteilung für die Messung der fünffach-Ionisation von Ameisensäure (Kapitel 8.1), der vierfach-Ionisation von CHBrClF (Kapitel 8.2) und der Einfachionisation von Methyloxiran (Kapitel 8.3). Im Datensatz der Ameisensäure und dem des CHBrClF zeigte die molekulare Orientierung einen größeren Einfluss auf die Asymmetrie in der Elektronenverteilung als das Enantiomer oder die Helizität des Lichtes. Diese Verknüpfung zwischen Molekülorientierung und Elektronenasymmetrie überträgt die Asymmetrien des PICD auf die Elektronenverteilung. Die Messung an Methyloxiran relativiert diesen Zusammenhang jedoch in dem dieser in dieser Stärke nur bei manchen Fragmentationskanälen auftritt. Offenbar ist die Übertragung der Asymmetrie der differentiellen Ionisationswahrscheinlichkeit nur einer der Mechanismen, welcher zu Elektronasymmetrien im Starkfeldregime führt

Closed-loop recycling of rare liquid samples for gas-phase experiments

Many samples of current interest in molecular physics and physical chemistry exist in the liquid phase and are vaporized for use in gas cells,diffuse gas targets, or molecular gas jets. For some of these techniques, the large sample consumption is a limiting factor. When rare, expensivemolecules such as custom-made chiral molecules or species with isotopic labels are used, wasting them in the exhaust line of the pumps isquite an expensive and inefficient approach. Therefore, we developed a closed-loop recycling system for molecules with vapor pressures belowatmospheric pressure. Once filled, only a few valves have to be adjusted, and a cold trap must be moved after each phase of recycling. Therecycling efficiency per turn exceeds 95%

Quasifree Photoionization under the Reaction Microscope

We experimentally investigated the quasifree mechanism (QFM) in one-photon double ionization of He and H2 at 800 eV photon energy and circular polarization with a COLTRIMS reaction microscope. Our work provides new insight into this elusive photoionization mechanism that was predicted by Miron Amusia more than four decades ago. We found the distinct four-fold symmetry in the angular emission pattern of QFM electrons from H2 double ionization that has previously only been observed for He. Furthermore, we provide experimental evidence that the photon momentum is not imparted onto the center of mass in quasifree photoionization, which is in contrast to the situation in single ionization and in double ionization mediated by the shake-off and knock-out mechanisms. This finding is substantiated by numerical results obtained by solving the system’s full-dimensional time-dependent Schrödinger equation beyond the dipole approximation

Zeptosecond birth time delay in molecular photoionization

Photoionization is one of the fundamental light-matter interaction processes in which the absorption of a photon launches the escape of an electron. The time scale of this process poses many open questions. Experiments have found time delays in the attosecond (10$^{-18}$ seconds) domain between electron ejection from different orbitals, from different electronic bands, or in different directions. Here, we demonstrate that, across a molecular orbital, the electron is not launched at the same time. Rather, the birth time depends on the travel time of the photon across the molecule, which is 247 zeptoseconds (1 zeptosecond = 10$^{-21}$ seconds) for the average bond length of molecular hydrogen. Using an electron interferometric technique, we resolve this birth time delay between electron emission from the two centers of the hydrogen molecule

Angular emission distribution of O 1s photoelectrons of uniaxially oriented methanol

The angular distribution of O 1s photoelectrons emitted from uniaxially oriented methanol is studied experimentally and theoretically. We employed circularly polarized photons of an energy of hν = 550 eV for our investigations. We measured the three-dimensional photoelectron angular distributions of methanol, with the CH3–OH axis oriented in the polarization plane, by means of cold target recoil ion momentum spectroscopy. The experimental results are interpreted by single active electron calculations performed with the single center method. A comparative theoretical study of the respective molecular-frame angular distributions of O 1s photoelectrons of CO, performed for the same photoelectron kinetic energy and for a set of different internuclear distances, allows for disentangling the role of internuclear distance and the hydrogen atoms of methanol as compared to carbon monoxide