Descripción teórica del problema

Cuando un láser intenso interactúa con un átomo pueden suceder diferentes procesos, entre todos esos procesos posibles, uno de los más relevante es el de ionización, donde un electrón es arrancado del átomo. Si la frecuencia del pulso láser (\omega) y por ende la energía de sus fotones E_{phot}=\hbar \omega es mayor que el valor absoluto de la energía de ligadura I_P la ionización se produce mediante la absorción de un fotón, como en el fenómeno fotoeléctrico descripto por A. Einstein en 1905, y se esquematiza en la Figura 1(a).

Figura 1. Esquemas de ionización (a) ionización por absorción de un fotón. (b) ionización multifotónica. (c) ionización por efecto túnel.


Por otra parte, cuando E_{phot} es menor que I_P, la manera en que sucede este proceso puede explicarse mediante la combinación de dos mecanismos físicos bien diferentes entre sí, y que gobiernan diferentes regímenes de ionización dependiendo de la frecuencia e intensidades del campo láser. Un parámetro que sirve para caracterizar estos regímenes es el parámetro de Keldysh, que en unidades atómicas (\hbar, la carga y la masa del electrón son iguales a 1) se expresa como:

(1)   \begin{equation*}\gamma = \sqrt{\frac{I_P}{U_P}},\end{equation*}

donde U_P = \left(\frac{F_0}{2\omega}\right)^2 es la energía ponderomotriz de un electrón libre en el campo oscilante. F(t) es el campo eléctrico y si se trata de una onda plana F_0 es su intensidad máxima. El campo eléctrico del láser oscila entre \pm F_0. En el artículo [1] se encuentra una referencia completa sobre la influencia de la energía ponderomotriz en el proceso de ionización.

Volviendo a los mecanismos que dan lugar a la ionización, si \gamma > >1 el proceso es multifotónico, mientras que para \gamma << 1 la ionización se produce por efecto túnel.

\bullet Ionización multifotónica: la ionización se produce a partir de la pura absorción de varios fotones, y se observan en el espectro picos con energías bien determinadas. Si llamamos E_f a la energía que tiene el electrón cuando es medido, en el espectro las posiciones de los picos estarán dadas por la fórmula de Einstein generalizada (en unidades atómicas):

(2)   \begin{equation*}E_f = n \omega - I_P\end{equation*}

En la Figura 1(b) se muestra un esquema de este proceso para la absorción de tres fotones (n=3)

\bullet Ionización por efecto túnel: cuando el período de oscilación del laser es lo suficientemente lento comparado con los períodos orbitales del electrón que es emitido, la oscilación del potencial produce una barrera por la que los electrones pueden escapar mediante efecto túnel, como se muestra esquemáticamente en la Figura 1 (c). Las características más evidentes de fenómenos de ionización mediante este mecanismo se observan en el espectro de baja energía, donde no hay estructuras de picos, correspondientes a la absorción de fotones.

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Referencias

[1] Della Picca, R., Gramajo, A. A., Garibotti, C. R., López, S. D., & Arbó, D. G. (2016), Phys. Rev. A 93, 023419