强场光电子全息中电子-电子交换效应研究

The atomic ionization in strong femtosecond laser fields provides an approach to study the electron correlation behavior in ultrafast time scale. The current research mainly focus on the Coulomb correlation effect between electrons. However, the influence of the electron-electron exchange effect on the strong-field atomic ionization processes is not clear. In this project, we will study the electron-electron exchange effect in the strong-field atomic ionization with the method of photoelectron holography, since the holographic patterns in the photoelectron spectra are sensitive to the characteristics of the ionized electron wave-packets (e.g., the amplitude and phase). Firstly, we will develop a strong-field approximation theory including the electron-electron exchange effect and calculate the two-dimensional photoelectron momentum spectra to identify the fingerprint of the electron exchange effect in the holographic patterns. By analyzing the quantum orbits, we will reveal the influence of the electron-electron exchange effect on the electron dynamic behavior. Secondly, we will use the two-color laser fields to manipulate the quantum orbits, in order to control the processes related to the two electron exchange and to identify and enhance the corresponding characteristics in the holographic patterns. Finally, we will study the influence of the spin-dependent electron exchange effect on the photoelectron holographic patterns to fully and deeply understand the electron exchange effect in the strong-field atomic ionization.

飞秒强激光下的原子电离研究为在超快时间尺度内深入研究电子关联行为提供了契机。目前的研究主要关注了电子间的库仑关联效应，电子-电子交换效应对强场原子电离过程的影响尚不清楚。本项目拟结合强场光电子全息方法，利用光电子谱全息干涉图样对电离电子波包特性（如幅度、相位等）的敏感性，揭示电子-电子交换效应对强场原子电离过程的影响。项目将通过发展包含电子交换效应的强场近似理论模型，计算获得光电子二维动量谱，辨别光电子全息干涉结构中电子交换效应的印迹，结合量子轨道分析，阐明电子交换效应对光电子动力学行为的影响；结合双色激光场调控电子轨道，实现对两电子交换相关物理过程的控制与相关谱特征的甄别；进一步考虑电子自旋，研究自旋依赖的电子交换效应对光电子全息结构的影响，全面深入地理解强场原子电离过程中的电子交换效应。

电子关联是自然界中普遍存在的一种物理现象，是诸多过程（如，化学键的断裂和形成、约瑟夫森效应以及超导现象等）的本质原因。近些年，强场物理的发展为在超快时间尺度内深入研究电子关联行为提供了契机。本项目针对围绕“强场电离过程中电子-电子交换效应”这一物理问题开展研究，发展了多电子原子分子的强场近似、量子轨道蒙特卡洛和数值求解含时薛定谔方程等理论方法，理论和实验相结合，揭示了强场单电离过程中电子-电子相互作用引起的高阶阈上电离强度增强机制，二聚体分子双电离过程中电子迁移引起的延迟电离效应等；进一步分析两电子波函数对称性，揭示了强场电离过程中电子-电子交换效应导致高次谐波强度增强的产生原因；此外结合光场调控方案精确控制强场原子分子超快电离动力学，实现了多次背向散射电子形成的强场光电子全息。在本项目基金的资助下，项目组成员共发表论文21篇，其中Phys. Rev. Lett. 3篇，Phys. Rev. A 9篇，Opt. Express 2篇，J. Phys. B 3篇等。项目执行期间，项目组成员中1人获国家自然科学基金优秀青年基金资助，共同培养博士生毕业3名。