Ionization and charge migration through strong internal fields in clusters exposed to intense X-ray pulses

A general scenario for electronic charge migration in finite samples illuminated by an intense laser pulse is given. Microscopic calculations for neon clusters under strong short pulses as produced by X-ray free-electron laser sources confirm this scenario and point to the prominent role of field ionization by strong internal fields. The latter leads to the fast formation of a core-shell system with an almost static core of screened ions while the outer shell explodes. Substituting the shell ions with a different material such as helium as a sacrificial layer leads to a substantial improvement of the diffraction image for the embedded cluster thus reducing the consequences of radiation damage for coherent diffractive imaging.Comment: 5 pages, 4 figure

Dynamics of photo-activated Coulomb complexes

Intense light with frequencies above typical atomic or molecular ionization potentials as provided by free-electron lasers couples many photons into extended targets such as clusters and biomolecules. This implies, in contrast to traditional multi-photon ionization, multiple single-photon absorption. Thereby, many electrons are removed from their bound states and either released or trapped if the target charge has become sufficiently large. We develop a simple model for this photo activation to study electron migration and interaction. It satisfies scaling relations which help to relate quite different scenarios. To understand this type of multi-electron dynamics on very short time scales is vital for assessing the radiation damage inflicted by that type of radiation and to pave the way for coherent diffraction imaging of single molecules.Comment: 14 pages, 6 figures, 1 tabl

Dynamik endlicher Vielteilchen-Systeme in intensiven Röntgenlaserpulsen

Die Arbeit beschäftigt sich mit der neuartigen Wechselwirkung von intensiven und ultrakurzen Röntgenlaserpulsen mit atomaren endlichen Systemen, die derzeit durch eine neue Generation von Lichtquellen, sogenannter X-ray free-electron laser (XFEL) zugänglich gemacht wird. Eine der Vorzeigeanwendungen der XFELs ist die zukünftig potentiell mögliche Strukturbestimmung endlicher nicht-periodischer Systeme mit atomarer Auflösung durch Diffraktion. Hierbei stellt sich der durch die hohe notwendige Pulsintensität bedingte Strahlenschaden an dem System als limitierender Faktor heraus, der ein detailliertes Verständnis der durch Photoabsorption induzierten Dynamik voraussetzt, um diese Art der "Mikroskopie" zum Erfolg zu führen. Wir verwenden daher zur Beschreibung der laserinduzierten Dynamik ein mikroskopisches Modell in dem Photoionisation und inner-atomare Zerfallsprozesse durch quantenmechanische Raten behandelt werden und die Dynamik der Ionen und energetischen Elektronen in einer klassischen Molekulardynamik-Simulation erfasst wird. Eine Neuerung gegenüber bisherigen Modellen ist die Berücksichtigung der Ionisation von Atomen durch starke interne Felder in dem hoch-geladenen System. Durch eine Anwendung des Modells auf Neoncluster kann gezeigt werden, dass diese Feldionisation einen wichtigen Beitrag zur laserinduzierten Dynamik darstellt. Sie führt zur ultraschnellen Formation eines Nanoplasmas, welches sich im Kern des geladenen Clusters ansammelt und dort die Ladung der Clusterionen neutralisert. Hierdurch wird eine vorzeitige Coulomb-Explosion des Clusters vermieden. Es wird dargelegt, dass dieser Mechanismus der lokalen Schadensreduzierung durch die Einbettung des Clusters in ein Heliumtröpfchen auf den gesamten Cluster ausgeweitet werden kann, da durch Feldionisation und Migration von Elektronen die vollständige laserbedingte Aufladung des Clusters auf das Heliumtröpfchen transferiert wird. Eine Analyse der resultierenden Diffraktionsmuster bestätigt, dass der reduzierte Strahlenschaden am Cluster den Anwendungsbereich für Diffraktionsexperimente erheblich ausweitet. Kürzlich wurde am SLAC National Accelerator Laboratory der erste XFEL in Betrieb genommen. Eine Modifikation des Modells auf dort bereits erzielbare Wellenlängen wird genutzt um Vorhersagen über das Photoabsorptionsverhalten, aus dem alle weiteren Schäden folgen, an kleinen Neoncluster zu treffen. Hiermit lassen sich bereits jetzt durch den Vergleich zu Experimenten die wichtigen Schadensmechanismen und ihre theoretische Beschreibung testen. Es wird ferner das interessante Relaxationsverhalten des durch massive Photoionisation in XFEL-Strahlung erzeugten Elektronenplasmas untersucht. Diese neuartige Anregung erfolgt auf einer Femtosekunden-Zeitskala und produziert eine hohe Dichte an energetischen Elektronen. Wir beschreiben dieses Plasma durch ein generisches Modell seiner Vielteilchen-Dynamik. Hierbei kann der gesamte Parameterraum des Modells in vier Klassen unterteilt werden, die sich nach Anregungsgrad, der den Elektronenverlust des Plasmas regelt, und Anregungsdauer, die die transiente Dynamik beeinflusst, unterscheiden. Speziell der Bereich starker Anregung bei gleichzeitig kurzer Anregungsdauer zeigt ein interessantes neues Verhalten, bei dem sich eine Equilibrierung des Systems im Kontinuum andeutet

Optical Phonon Lasing in Semiconductor Double Quantum Dots

We propose optical phonon lasing for a double quantum dot (DQD) fabricated in a semiconductor substrate. We show that the DQD is weakly coupled to only two LO phonon modes that act as a natural cavity. The lasing occurs for pumping the DQD via electronic tunneling at rates much higher than the phonon decay rate, whereas an antibunching of phonon emission is observed in the opposite regime of slow tunneling. Both effects disappear with an effective thermalization induced by the Franck-Condon effect in a DQD fabricated in a carbon nanotube with a strong electron-phonon coupling.Comment: 8 pages, 4 figure

Massively Parallel Ionization of Extended Atomic Systems

Massively parallel ionization of many atoms in a cluster or bio-molecule is identified as new phenomenon of light-matter interaction which becomes feasible through short and intense FEL pulses. Almost simultaneously emitted from the illuminated target the photo-electrons can have such a high density that they interact substantially even after photo-ionization. This interaction results in a characteristic electron spectrum which can be interpreted as convolution of a mean-field electron dynamics and binary electron-electron collisions. We demonstrate that this universal spectrum can be obtained analytically by summing synthetic two-body Coulomb collision events. Moreover, we propose an experiment with hydrogen clusters to observe massively parallel ionization.Comment: 4 pages, 5 figure

Phonon-assisted tunneling through quantum dot stacks

The impact of electron-phonon interaction on the coherent transport through a quantum dot stack is investigated using the nonequilibrium Green's function technique. While the main resonance is due to the alignment of the single dot levels, satellite peaks occur due to resonances with phonon replica of the bare levels. This effect is analyzed in detail and we show that the inclusion of nondiagonal self-energies leads to a significant reduction of the induced current, which is interpreted as an interference effect