ИСТИНА

Проект имеет две основные цели, которые будут достигаться в совместных экспериментальных и теоретических исследованиях: выяснение механизмов кратной ионизации атомов под действием излучения рентгеновских лазеров на свободных электронах; разработка метода реконструкции и синтеза аттосекундных импульсов, генерируемых лазерами на свободных электронах.

With the advent of free-electron lasers (FELs) operating in the extreme ultraviolet and x-ray range as well as the progress of lasers used to generate high harmonics (HHG), researchers obtained sources of ultrashort (femto- and attosecond) pulses with short wavelengths. Their use has led to the birth of new branches of the physics of interaction of electromagnetic radiation with matter: nonlinear processes in the x-ray domain and attosecond physics. The planned study covers both of these branches. The production of ions with a charge of several dozen units from atoms being irradiated by FEL pulses was discovered a few years ago. The mechanism of this phenomenon is known only in the most general terms. It involves a combination of photoionization of the inner electron shells and the Auger decay of the vacancies which both are competing with each other on the femtosecond time scale. Experimental methods for observing this phenomenon are still mainly limited to mass spectroscopy, which measures the charge distribution of the final ions. The applied theoretical methods are adapted to describe this type of experiments. To reveal the mechanisms of the process, a selective approach is needed, which makes it possible to identify individual electronic transitions. As a tool for this approach, the project proposes electron spectroscopy, which includes coincidences with ions of a certain charge state and is accompanied by evincive theoretical calculations. Experiments will be conducted at the FEL FERMI (Trieste, Italy) and the European XFEL (Schenefeld, Germany) for multiple ionization of krypton, in a wide photon energy range from 90 to 2000 eV. These energies cover the ionization thresholds of the L, M, N shells, which will make it possible to consider the results as a showcase for a detailed study of the phenomenon of generating multiply charged ions. The duration of an electromagnetic pulse is one of the key parameters of these sources. It largely determines the range of nonstationary phenomena available for studies with the sources. Record values of several dozen attoseconds here belong to the HHG sources. Ordinary FEL pulses have a duration not shorter than a few femtoseconds. On the other hand, the FEL intensity is several orders of magnitude higher than the intensity of the HHG sources, and with a much wider photon energy range. Therefore, reducing the duration of FEL pulses to an attosecond scale is an attractive task, leading to far-going implications. One of the ways to solve the task is the synthesis of coherent femtosecond FEL pulses of different frequencies with an adjustable relative phase. The project proposes to carry out such a synthesis at the FEL FERMI (Trieste, Italy). However, reliable methods for the reconstruction of attosecond FEL pulses do not yet exist. We plan to justify and practically apply the new method of reconstruction, and generate attosecond pulses on FEL FERMI, including pulses with adjustable polarization. Joint research will be conducted by the groups from M.V. Lomonosov Moscow State University, the Pacific State University (Khabarovsk) and Albert-Ludwig University of Freiburg (Germany)

1. В продолжение п.1 плана 2020 г.: моделирование угловых распределений и интенсивностей фотоэлектронных линий от перекрывающихся боковых частот, построенных на генерируемых FEL соседних когерентных гармониках с добавлением ИК излучения. Тестирование, совместно с немецкими коллегами, возможностей программы STN для реконструкции аттосекундных волн на примерах импульсов от генерации высоких гармоник; сопоставление с результатами алгоритма FROG-CRAB. 2. Зависимость угловых распределений фотоэлектронов и интенсивностей в боковых пиках от относительных фаз гармоник. Расчеты на примере гладкого непрерывного спектра атома неона в области энергий фотонов 33-43 эВ (область 7,8,9-й гармоник с энергией фотона 4.75 эВ и линейной поляризацией, произведенных из утроенной частоты ИК-лазера 780 нм; эти гармоники используются для затравки при генерации соответствующих частот FEL FERMI) 3. Для примера из п.2: Моделирование корреляционных карт – корреляций между интенсивностями разных боковых пиков. Изменение картины корреляций при изменении интенсивности FEL и относительных фаз гармоник. Сопоставление с ожидаемыми экспериментальными данными для неона и совместный с немецкими партнерами анализ результатов. 4. В продолжение п. 4 и 5 2020 г.: Расчеты электронных спектров и угловых распределений избранных линий при кратной ионизации криптона для энергий фотонов в области 130 эВ, когда открывается канал ионизации 3d электрона. Решение аналогичной, но усложненной задачи для энергий фотонов в области 240 эВ (дополнительно открыты каналы ионизации 3p оболочки) и 300 эВ (дополнительно открываются каналы ионизации 3s оболочки). Сопоставление с ожидаемыми экспериментальными данными и совместный с немецкими партнерами анализ. Выявление путей (механизмов) кратной ионизации при образовании вакансий под действием интенсивного излучения FEL. Выявление случаев образования двойных вакансий, а возможно и вакансий более высокой кратности. 5. Работа над публикациями, включая совместные с немецкими партнерами. Опубликовать не менее 3-х статей в журналах из спиcка WoS.

По проекту в отчетном периоде опубликовано 5 статей в рецензируемых журналах, из них 3 в топ-25 по версии WoS; сделано 7 докладов на конференциях, в том числе приглашенные доклады на международных конференциях (EGAS-52, Загреб https://www.egas52.org/speakers), 33rd MAX IV User Meeting 2021 (MAX IV in Focus, Лунд); подана заявка на регистрацию ПО. Молодые участники проекта приобрели уникальные навыки и выполнили значительную часть проекта, в том числе представили устные доклады на международных конференциях. Проведены обширные расчёты методом R-матрицы в полурелятивистском подходе для полных сечений, парциальных сечений, а также амплитуд фотоионизации атома криптона в области энергий фотона 80-230 эВ, покрывающей припороговую и надпороговую области для 3d электронной оболочки. На основании полученных результатов смоделированы спектры и угловые распределения фотоэлектронов, образованных как при прямой ионизации внутренних оболочек атома криптона (основные линии спектра), так и при ионизации с одновременным встряхиванием валентного или субвалентного электрона на другие оболочки (сателлитные линии). В то время как основные линии, связанные с ионизацией 3d-оболочки криптона, достаточно хорошо изучены теоретически и экспериментально, для описания сателлитных линий 3d-14p-1nl и 3d-14s-1nl наблюдался существенный недостаток теоретических моделей; при этом, а учёт тонкого расщепления ранее вообще не производился. Настоящая работа была нацелена на восполнение этого пробела. Нами исследованы механизмы встряски: нормальной и сопряженной. Обнаружены состояния, образующиеся с доминирующим вкладом одного из механизмов, а также состояния, для которых вклады этих механизмов неразличимы в рамках используемого подхода. Результаты оказались в прекрасном согласии с данными первого в мире эксперимента в этом энергетическом диапазоне, проведённом на новейшем синхротронном источнике 4го поколения MAXIV (Лунд, Швеция). Произведена идентификация пиков в экспериментальном фотоэлектронном спектре в рамках используемой теоретической модели с учётом тонкого расщепления. Изучены спектры, угловые распределения и угловые корреляции в электронной эмиссии при последовательной кратной ионизации криптона в области автоионизационных состояний атома (4s-1np) и положительно заряженного иона (4p-2[1D]ns/nd). Результаты оказались в согласии с проведенным экспериментом: удалось корректно воспроизвести положение и относительные интенсивности фотоэлектронных линий в спектре, а также дать интерпретацию механизму их образования, и представлены в совместной публикации с данными первого в мире измерения этих параметров на лазере на свободных электронах FLASH (Гамбург, Германия) [Phys. Rev. A 103, 022832 (2021)]. Анализ угловых корреляций первого и второго фотоэлектронов позволил с уверенностью подтвердить существенную роль ридберговских автоионизационных состояний ионов криптона в процессе последовательной двойной двухфотонной ионизации атома криптона. Прогресс в методике генерации аттосекундных импульсов на лазерах на свободных электронах позволил получать воспроизводимые, программируемые сигналы ВУФ диапазона высокой интенсивности. В нашей работе был осуществлен подробный анализ теоретической модели, лежащей в основе нестационарного описания последовательностей аттосекундных импульсов, недавно сгенерированных на лазере на свободных электронах FERMI. Результаты были доложены на конференции «Концентрированные потоки — 2021». Первое направление исследований в этой области — моделирование угловых распределений и интенсивностей фотоэлектронных линий от перекрывающихся боковых частот, построенных на генерируемых FEL смежных когерентных гармониках с добавлением IR излучения. Изучена зависимость угловых распределений фотоэлектронов и интенсивностей в боковых пиках от времени задержки между IR и XUV импульсами. Моделирование проводилось в рамках нестационарной теории возмущений по третий порядок включительно и численного решения уравнений заселенности. Матричные элементы переходов между двумя дискретными состояниями и между дискретными состояниями и состояниями континуума проводилось методом R-матрицы, а между двумя состояниями континуума — с помощью волновых функций, полученных в MCHF, по методу, описанному в [Phys. Rev. A, 50, 5, 4109 (1994)] и аналитической формулы Гордона [Ann. Phys. 2, 1031 (1929)]. Следующее направление исследований — моделирование фотоэлектронных спектров, получаемых в результате последовательной ионизации атомов с учетом поляризации излучения. Был разработан подход, основанный на расчетах спектроскопических величин методом R-матрицы, и последующего решения уравнений заселенности развитым программным обеспечением. Для учета поляризации излучения был применен формализм статистических тензоров, позволяющий существенно сократить число уравнений в системе по сравнению с традиционными методами.