A theoretical study of ultrafast phenomena in complex atoms

Abstract

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Química. Fecha de lectura: 15-11-2019Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 15-05-2021The ultrafast movement of electrons is a driving force of chemical reactions, making it a highly desirable avenue for study. This thesis studies such movements, making use of pump-probe methods such as attosecond transient absorption spectroscopy (ATAS) and reconstruction of attosecond beatings by interference of two-photon transitions (RABITT), in complex atomic systems. The main approach used to solve the time-dependent Schr¨odinger equation (TDSE) was exact, attosecond, full-electron, ab-initio calculations. Firstly, helium was probed above the second ionisation threshold, where severalionisationchannelsareopen, usingaccurateab-initiocalculations. Here, the ATAS method was employed to predict beatings between the autoionising 3snp1Po resonances and nearby 1Se and 1De states. More surprisingly, twophoton beatings between the doubly-excited 3s3p state and the 1Po continuum werealsoobserved,demonstratingcontrolofthecorrelated,two-electron,multichannel wave packet. Secondly, two studies of neon were carried out below the second ionisation threshold. The first makes use of ATAS calculations to probe beatings between the autoionising neon states. Using a two-colour, mixed extreme-ultraviolet (XUV) near-infrared (NIR) pump, one-photon beatings between the 2s−13p1Po and the nearby 2s−13s1Se and 2s−13d1De resonances are observed. Further, oneand two-photonbeatings between the autoionising 2s−13`, `∈{0,1}and the 1Po continuum are predicted. The second uses the RABITT method to probe the atomic phase in the vicinity of multiple resonances. This is far from trivial, and interferometric methods have until now been restricted to simpler energy-regions, due to the difficulty of accurately describing the electron correlation associated with the more complex case, making accurate ab-initio calculations needed to guide experiments unavailable. Despite the complex energy-dependence of the phase when several resonances are present, presented results from experiment and abinitiotheoryareinexcellentagreement. Further,usingasimpleextensionofthe Fano model for resonant continua, the contributions of the different involved resonances are disentangled. Such simple models are highly desirable in more advanced systems, where accurate ab-initio calculations are inaccessible. The ab-initio results of both neon studies were carried out using the newly developed XCHEM methodology, which is thus further validated by the excellent agreement with presented experiments and previous studies. Finally,aRABITTstudyofargoninthevicinityofthe3s−1n` resonanceswas performed. Angularly resolved, experimental results are presented, showing the anisotropy of the atomic phase in smooth continua as well as the vicinity of resonances. Due to the complexity of the system,no ab-initio results a represent. Instead, simpler interferometric models are used to successfully explain the anisotropic behaviour of the phaseEl movimiento ultrarrápido de electrones es la fuerza motriz de las reacciones químicas, por lo cual su estudio resulta muy atractivo. Esta tesis se dedica al estudio de ese tipo de movimientos, utilizando métodos de bombeo y sonda, como espectroscopia de absorción transitoria de attosegundos (ATAS) y reconstrucción de ”beatings” de attosegundo por interferencia de transiciones de dos fotones (RABITT), en átomos complejos. El método principal utilizado para resolver de la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo fue la propagación exacta (ab-initio) considerando todos los electrones. En primer lugar, se investigó el átomo de helio por encima del segundo umbral de ionización, donde existen varios canales de ionización. Aquí, el método de ATAS se empleó para predecir beatings entre las resonancias 3snp1Po y estados 1Se y 1De cercanos. Sorprendentemente, también se observaron beatings de dos fotones, lo cual muestra control del paquete de ondas correlacionado multicanal de dos electrones. En segundo lugar, dos estudios por debajo del segundo umbral de ionización del neón se llevaron a cabo. El primero utiliza cálculos de ATAS para investigar los beatings entre estados auto ionizantes de neón. Utilizando un bombeo de dos colores, radiación ultravioleta extrema (XUV) mezclada con radiación infrarrojo cercano (NIR), es posible observar beatings entre la resonancia del 2s−13p1Po y las 2s−13s1Se y 2s−13d1De. Además, se predicen beatings de uno y dos fotones entre las resonancias auto ionizantes 2s−13`, `∈{0,1}y el continuo 1Po. El segundo usa el método de RABITT para estudiar la fase atómica en las cercanías de las resonancias múltiples. Hasta ahora, los métodos interferométricos han estado restringidos a regiones de energía de hasta una resonancia, a causa de las dificultades en llevar a cabo propagaciones exactas (ab-initio), las cuales dependen de la correlación electrónica para describir bien los experimentos. A pesar de la complejidad de la dependencia de la energíac con la fase, debido a la presencia de varias resonancias, los resultados teóricos obtenidos comparan muy bien con los resultados experimentales presentados. Además, usando una extensión del modelo de Fano para continuos resonantes, las contribuciones de las distintas resonancias se han podido resolver. Modelos más simples son necesarios en sistemas más avanzados, donde cálculos ab-initio son inaccesibles. Los resultados ab-initio presentados en ambos estudios se realizaron con el método XCHEM recientemente propuesto, dando así validez al método. Finalmente, se realizó un estudio RABITT cerca de las resonancias 3s−1n` del argón. Se presentan experimentos mostrando la dependencia angular de la fase atómica, tanto en continuos suaves como en las cercanías de resonancias. Debido a la complejidad del sistema, no se presentan resultados ab-initio. En cambio, mediante modelos interferométricos se ha podido explicar el comportamiento anisótropo de la fas