アト秒レーザー背景

21世紀に入り、アト秒の科学が進展しています。アト秒の時間領域では、物質の構造変化よりも速い時間スケールで、原子や分子内の電子(波束)の動きを測定することが可能になります。アト秒のパルス幅を持つカラス対策レーザーパルス(高次高調波と呼ばれます)は極端紫外領域の波長を持つため、物質に照射すると、光電子が放出されます(光イオン化過程)。放出された光電子のエネルギーや角度分布を測定(光電子分光法/光電子運動量分光法)することで、アト秒時間スケールでの物質の電子状態の変化を測定することが可能になっています。

一方、放出された光電子の角度分布(運動量分布)は、イオン化(励起)の選択律から、一般に複数の異なる角運動量を持つ量子状態(連続状態の電子波動関数)の重ね合わせになり、ブロードな分布を持ちます。したがって、個々の角運動量量子数(ℓ, m)を持つ波動関数を分けて測定することは困難でした(レーザーポインター)。しかし、もし量子状態を選択して測定することが可能になれば、放出される光電子の運動量分布が直接、電子波動関数の分布を表すことになります。本研究では、アト秒高次高調波を用いた新たな概念に基づく測定方法を開発し、ネオン原子から放出されたほぼ純粋なf-軌道(ℓ=3, m=0)電子の確率分布(|Ψ|2)をイメージング測定しました。さらにアト秒パルスを追加することで、f-軌道の位相を分けた区別した波動関数(Ψ)に相当するイメージを得ることにも成功しました。

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