EXTRÉM ELEKTROMÁGNESES TEREK TÉRIDŐBELI KONCENTRÁCIÓJA. Nyitott alapkérdések az attoszekundumos impulzusok fizikájában
Varró Sándor Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet Magyar Tudományos Akadémia, Budapest
1. BEVEZETÉS. ‘NAGYON EXTRÉM’ TEREK; ÉRDEKESSÉGEK
2. EVANESZCENS TEREK, FELÜLET PLAZMONOK
3a. ‘ATTOFIZIKA ‘ I. FÁZISCSATOLÓDÁS, VIVŐ – BURKOLÓ FÁZIS 3b. ‘ATTOFIZIKA’ II. KVANTUM KOHERENCIA, KORRELÁCIÓK
4. ÖSSZEFOGLALÁS
Schrödinger [1927] and Compton [1929] on directionality and localization
“The direction and frequency laws of the Compton effect have exactly the same meaning as stating that the pair of light waves and -waves have the same ‘net of planes’ (on a moving crystal) for the first order Bragg condition of reflection, as they move with a subluminar velocity.…”
“There are certain localized regions in which at a certain moment energy exists exists, and this may be taken as a definition of what me mean by a particle. … this wave-mechanics theory does not enable us to locate a photon or an electron definitely except at instant at which it interact with another particle. When it activates a grain on a photographic plate, plate or ionizes an atom which may be observed in a cloud chamber, we can say that the particle was at that point point. But in between such events the particle cannot be definitely located.”
[ E. Schrödinger, Über den Comptoneffekt. Ann. Phys (4) 82 Phys. 82, 257 257-264 264 (1927) . Fig. Fig 22.]]
[ A. H. Compton, The corpuscular properties of light light. Rev Rev. Mod Mod. Phys Phys. 11, 74-89 (1929) ]
EMISSZIÓ ÉS ABSZORPCIÓ 1 ( r ct ) 2 z z e sin (r ct ) E x r xz
J. Larmor [1900] and J. J.Thomson J. Thomson [1903].“Has [1903]. Has the aether a structure ?” ? H. Bateman’s needle radiation [ 1915 ]; singular solution of free Maxwell equations
- 12 -
C. W. Oseen [ 1922 ] ““Einsteinian” needle radiation”” [ “Nadelstichstrahlung” ] I.
“As for a concrete example to mention, in this way one can find a solution of the Maxwell equations which represents a radiation from a point-like source on the Earth, Earth whose all energy up to 1/1010 goes out to infinity within a solid angle, which would cut a surface of size of a 5 penny coin on the surface of the Sirius.” [ C. W. Oseen, Ann. der Phys. (4) 69, 202-204 (1922) ]
B Π / ct E Π Π (0,0, P) 2P 0 n i(t r / c) ic ic e P a0 a1 ... an z z r - 13 -
MAGNETIC MONOPOLE [AS AN ‘OPEN END’ OF A SINGULAR DIPOLE LINE OR OF A SOLENOID] P. A. M. Dirac, Proc. Roy. Soc. London A 133,, 60 – 72 ((1931))
g 1 AL r dl 4 | r r|
eg n 0, 1, 2,... 2 2
- 14 -
CERN COURIER, March 2009 [ Extreme Light Infrastructure; ELI ]
J. SCHWINGER [1954]; Kritikus tér, párkeltés S. W. Hawking [1974], P. C. W. Davies [1975], W. G. UNRUH [ 1976 ]
eEcr C eEcr ( / mc ) mc
Ecr m c / e
2
2 3
Ecritical sin ~ 1.3 10 V / cm
U / U 100%
16
mc 2 0
0
mc 2
V ( x ) eEx
a T 2ck
2mc 2 1MeV
d PUnruh 8 h 8 2 3 h / kT r0 dtd c e 1 3 2
2
Szinkrotron – sugárzás. ‘Search light’
A ( y ) 4 e d G ( y x ( )) u ( )
A. I. Sokolov and I. I. Ternov, Synchrotron radiation. (Springer, Berlin, 1966).
Szinkrotron – sugárzás önkoherenciája, visszacsatolás.
S. V., Synchrotron radiation in the presence of a perfect cylindrical mirror. Note on the interference of the direct radiation and the high-order whispering–gallery modes . arXiv – 1101.15811 (1992, 2011)
~ 25 5 ÉVE
„GLÓRIA-LÉZER” Horváth Zoltán György
‘Ponderomotoros potenciál’ , nemlineáris törésmutató filamentáció [Star Wars]
U p (r ) 2.5 10
13
I [eV ]e 2
r 2 / w2
(A KÓBORHULLÁMOK ÉS) IGAZI TŰSUGÁRZÁS LÉTEZÉSÉNEK KÉRDÉSE VÁLTOZATLANUL NYITOTT
AZ IGAZI QED ÉS GRAVITÁCIÓS KRITIKUS TÉR ELŐÁLLITÁSA LÉZEREKKEL MÉG MESSZE VAN
[A LÉZERES RÉSZECSKEGYORSITÁS ÉS FÚZIÓ VÁLTOZATLANUL IGÉRETES LEHETŐSÉG]
■ P. Selényi: INHOMOGENEOUS SPHERICAL WAVE [ CR, 1913 ]
- 31 -
■ The work of L. Mandelstam in 1914; Atomic dipole + Sommerfeld wave
- 31 -
■ The work of L. Mandelstam in 1914. Optical dipole close to the interface Intensity distribution near the critical angle of total reflection
- 32 -
ZENNECK [ 1907 ]
SOMMERFELD [ 1909 ]
A SOMMERFELD – FÉLE FELÜLETI HULLÁM [1909]
Q1 Q2 P e k1R Q1 ~ R
“Térhullámok”
e k2 R Q2 ~ R
“Felületi hullám”
1 i 0 r P~ e r 1 i 0 r P~ e r
20 k 22 z
20 k12 z
,
( z 0)
,
( z 0)
FELÜLETI PLAZMONOK GERJESZTÉSE. I.
SINGLE – PLASMON WIDE – ANGLE INTERFERENCE. Kolesov et al. ( 2008 )
TÉR ÉS PLAZMON x sin 0 z cos 0 EVANESZCENS E 0 (e x cos 0 e z sin 0 ) | F0 | cos 0 t n1 0 c 6 z
F0
F1
4 DIELECTRIC 1
q0
f1
-z d Ø
2 METAL 2
G2 & g2
F2 & f2
0 VACUUM 3
G3 & g3
0 Dsp gx 3
G3 -2
G3 ( 4n1 B / n3 )e i ( K 2 z K1 z ) d F0 / D0
-4
0
2
4
- x au. Ø
6
8
Felharmonikus keltés. Elmélet és kisérlet: S. V., N. Kroó, Gy. Farkas and P. Dombi, Spontaneous emission of radiation by metallic electrons in the presence of electromagnetic fields of surface plasmon oscillations. J. Mod. Opt. 57, 80 (2010).
10
EVANESZCENS TEREK. PLAZMONOS TÉRERŐSITÉS. 1.0
1.00
0.8
0.98
0.96
0.6
0.94
0.4
0.92
0.2
0.90
0.0
40
41
42
q 0 degree
43
44
600
41
42
q 0 degree
43
44
45
41
42
q 0 degree
43
44
45
150
500
400
100
300 50
200
100 0
0 41
42
43
q 0 degree
44
S. V. et al., J. Mod. Opt. 57, 80 (2010).
45
HANBURY BROWN – TWISS KORRELÁCIÓ [ PLAZMON FÉNNYEL (IS) ( 2011 ) ]
N1 N 2 s(a, ) 1 N1 N 2 M x M y M long
S. V., The role of self-coherence in correlations of bosons and fermions in linear counting experiments. Notes on the wave-particle duality. Fortschritte der Physik 59, 296-324 (2011); see also ibid. 56, 91-102 (2008)
HANBURY BROWN – TWISS KORRELÁCIÓ PLAZMON FÉNNYEL ( 2011 )
S. V.,, N. Kroó,, D. Oszetzky, y, A. Nagy gy and A. Czitrovszky, y, Hanbury y Brown and Twiss type yp correlations with surface plasmon lihgt. PQE-2011, J. Mod. Opt. To be published (2011)
HANBURY BROWN – TWISS KORRELÁCIÓ PLAZMON FÉNNYEL ( 2011 )
S. V., N. Kroó, D. Oszetzky, A. Nagy and A. Czitrovszky, Hanbury Brown and Twiss type correlations with surface plasmon lihgt. PQE-2011, J. Mod. Opt. To be published (2011)
AZ EVANESZCENS TEREK KUTATÁSÁNAK ‘FELFUTÁSA’
FUNDAMENTÁLIS KÉRDÉSEK, IGEN SZÉLESKÖRÜ ALKALMAZÁSOK, NANO O–O OPTIKA,, INFORMATIKA, O , INTEZIV TEREK ELŐÁLLITÁSA... Ő S
The proposal and practice ? Phase locking problems. problems Recent relevance in ELI.
Varro_ECLIM_2010
“Dear Drs. Farkas and Toth, Thank you for your interesting letter of June 22. So far we do not have any finished paper on atoms. Quantum mechanical computations for hydrogen atoms in an intense pulsed laser field by Ken Kulander at the Lawrence Livermore Laboratory and by Peter Lambropoulos at UCS seem to indicate that the phases of the high harmonics vary in some complex way, so that the atoms do not emit Fourier-limited short pulses. However, more theoretical and experimental work needs to be done, before the potential of such a scheme can be fully judged. In the meantime, we have put our writing on hold. … Yours sincerely, Prof. T. W. Hänsch” [ Münich, July 09. 1992. ]
A. L’ Huillier and P. Balcou, High-order harmonic generation in strong laser fields. 1992, In Ultrafast Phenomena VIII. pp. 29-33. Eds. J.-L. Martin, A. Migus, G. A. Mourou, A. H. Zewail (Springer, Berlin, 1993)
outgoing
5
2mc 2 E0 E0 t z Tn exp 2i n 2i n T n
4 0 .5 5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0
3
2 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0
1 0
50
100
150
200
250
300
z = 2 0 1 3 7 0 0 nm
0 1 2 3 4 5 Tim e in Units T z = 2 0 1 3 8 6 0 nm
0 1 2 3 4 5 Tim e in Units T
0 .5 5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0
0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0
z = 2 0 1 4 1 5 0 nm
0 1 2 3 4 5 Tim e in Units T z = 2 0 1 4 2 5 5 nm
0 1 2 3 4 5 Tim e in Units T
S. V. and Gy. Farkas., Attosecond electron pulses from interference of above-threshold de Broglie waves. Laser and Particle Beams 26, 9-19 ( 2008 ). S. V., Temporal Talbot effect of attosecond electron pulses. PQE-41 (2011)
Varró S., Bevezetés az intenzív fény és anyag kölcsönhatásainak elméleti leírásába. 2010. december, jegyzet: http://titan.physx.u-szeged.hu/opt/physics/theorphys/index.html S. Varró,, Intensity y effects and absolute p phase effects in nonliear laser-matter interactions. In Laser Pulse Phenomena and Applications ( Ed. F. J. Duarte, InTech Publisher, 2010 ) Chapter 12, pp. 243-266. http://www.intechopen.com
■ Nemrelativisztikus és relativisztikus intenzitások, felharmonikusok 1
E(r, t ) eF0 sin((t k r 0 ) Log of Signal
B(r, t ) n eF0 sin(t k r 0 )
0.8 0.6 0.4 0.2
c | k |,
e k,
n k/ |k |
0 0
5 10 15 20 Number of Absorbed Photons
m0 dr(t ) / dt d e dr(t ) B(r(t ), t ) eE(r(t ), t ) dt 1 [dr(t ) / dt ]2 / c 2 c dt x eF osc osc mx eF0 sin t 0 0 8.5 1010 I c mc
Coupling parameters. Classical. Th question The ti off switchin-on/off. it hi / ff Initial I iti l value l problem. bl
E(r, t ) eF0 f (t n r / c) cos(t k r 0 )
eF0 osc xosc 0 8.5 1010 I c mc t = 1, j = -p 2
1.0
eE c C t z / c 2
t z / c 1
05 0.5
F t
E c e / r0
0.0
-0.5
-1.0 -2
-1
0
tT
1
2 S. V & F. Ehlotzky, Z. Phys. D 22, 691-628 (1992)
SOMMERFELD AND THE GRAPHENE [on the nature of Röntgen rays (Ann. d. Physik 46, 721–747 (1915)) and the GRAPHENE as CARRIER – ENVELOPE PHASE DIFFERENCE meter ? ]
E(r, t ) eF0 f (t n r / c) cos(t k r 0 )
reflected spectrum at 85 degree
2 - cycle Sine pulse 1
0.5
0.5
Electric field
Electric field
2 - cycle Cosine pulse 1
0 - 0.5 -1
1
0.1
4th harmonic : v = 3.401
0.8 0.6
0.001 0
04 0.4
0.00001
- 0.5
0.2
-1 -2
-1 0 1 time optical period
2
-2
-1 0 1 time optical period
2
0
2 4 6 8 normalized frequency v
10
0 1 2 3 4 5 6 carrier - envelope phase difference
S. V., Scattering of a few-cycle laser pulse on a thin metal layer : the effect of the carrier-envelope phase difference . Laser Phys. Lett. 1, No. 1, 42–45 (2004) / DOI 10.1002/lapl.200310010 S. V., Linear and nonlinear absolute phase effects in interactions of ulrashort laser pulses with a metal nano-layer or with a thin plasma layer. Laser and Particle Beams (2007), 25, 379–390. S. V., Intensity effects and absolute phase effects in nonliear laser-matter interactions. In Laser Pulse Phenomena and Applications ( Ed. F. J. Duarte, InTech Publisher, 2010 ) Chapter 12, pp. 243-266. http://www.intechopen.com
- 31 -
FROM TERAHERTZ [wº w0/900] TO XUV [wº 30äw0 ], nc º 16500
z (t ) (0 / 2 ) [ J k (k ) / k ] sin 2kt k
0 /(1 02 / 4)
KINEMATIC EFFECTS DUE TO QUANTIZATION. This is an example which shows that the nonclassical nature of the strong light field can even manifest itself in the modification difi ti off the th HHG spectrum. t Th The reaction ti additionally dditi ll modifies difi the th frequency. f
[ (i Aˆ rad ) ] 0V
n 0 C 02 n n 0 02 2 sin 1 2 2 2 C (N N ) / N Varro_ECLIM_2010
‘Összegabalyodott’ Foton – Elektron Állapotok Intenzív Compton – Szórás Után I.
Electron detection
Photons
Photons
Joint detection (a): Linear (longitudinal) polarization
Photon detection
Electrons Varro_CEWQO_2009 S. V., Entangled states and entropy remnants of a photon-electron system .Phys. Scr. T140 (2010) 014038 (8pp). Varro_CEWQO_2009-page-3
‘Összegabalyodott’ Foton – Elektron Állapotok Maradék Entrópiája Intenzív Compton – Szórás Után II.
S. V., Entangled states and entropy remnants of a photon-electron system .Phys. Scr. T140 (2010) 014038 (8pp).
Is the HHG radiation a quantummechanical product state off coherent h components with i h ’=n ’ ? 1
E N (t )
Log of Signal
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
5 10 15 20 Number of Absorbed Photons
n n0 N
in t E e f Eˆ f n
n n0
f n0 ( n0 1) ( n0 N )
t
ie T fi d t f xˆ (t ) i f Eˆ (r , t ) i 0
d (t ) e (t ) xˆ (t ) d n e in 0t n
f Eˆ (r , t ) i ~ 1 Aˆ 0 1 Varro_ECLIM_2010
Two source of harmonics. Multipoles. [M. Abraham]
A ( y ) 4 e d G ( y x ( ))u ( )
( 4 ) 1 v / c 2
2
2
2
1 2 E B2 4
E B 2
2
0
in 0 t ˆ d (t ) e (t ) x (t ) d n e n
S. V. & F. Ehlotzky, Multiphoton Kramers-Heisenberg formula. IL NUOVO CIMENTO D15, 1371-1396 (1993)
ze
i
z z | z | e
i
A E A A eˆ i N 1 / 2
i i ˆ ˆ C (e e ) / 2
C (C C ) 2
2
ˆ O O
S. V S V., E Entangled l d photon-electron h l states and d the h number-phase b h minimun-uncertainty i i i states off the h photon h field. New Journal of Physics 10, 053028 (2011); S. V., Entangled states and entropy remnants of a photon-electron system. Physica Scripta T140, 014038 (2010)
A SUGÁRZÁS KVANTUM-FÁZISA z e i z z | z | e i A E A A eˆ i N 1 / 2
ˆ
0 2
ˆ d E
0
ELEMENTARY TERNARY OUTCOME I. B
C
Source A
S. V., The role of self-coherence in correlations of bosons and fermions in linear counting experiments. Notes on the wave-particle duality. Fortschritte der Physik 59, 296-324 (2011); see also ibid. 56, 91-102 (2008)
Varro_CEWQO2010
AN ELEMENTARY SINGLE SINGLE-QUANTUM QUANTUM MEASUREMENT; TERNARY OUTCOME II.
P( A) p
P( B) q
P(C ) r 0
A, B and C are mutually exlusive and form a complete set of events, but they are not independent.
A B O
B C O
P( A) P( B) P(C ) 1
AC O e.g. g
A B C I
P( A B) 0 P( A) P( B)
S. V., The role of self-coherence in correlations of bosons and fermions in linear counting experiments. Notes on the wave-particle duality. Fortschritte der Physik 59, 296-324 (2011); see also ibid. 56, 91-102 (2008) Varro_CEWQO2010
A részecskeszám korreláció és az önkoherencia kapcsolata
Normal izedCoinc cidenceRa ate
2.0
1 1 1 1 M M xM yM l
1.5
M
1
or t
| r1 , r2 ,0 , t |2 Vcoh / V det
1.0
0.5
0.0
- 1.5
- 1.0
-0.5
0.0
0.5
x - x0 au
1.0
1.5
S. V., The role of self-coherence in correlations of bosons and fermions in linear counting experiments. Notes on the wave-particle duality. Fortschritte der Physik Varro_CEWQO2010 59, 296-324 (2011); see also ibid. 56, 91-102 (2008)
‘ The problem of phase ’. [ Abklingszeit. Verweilzeit. Quantum Zeno effect ]
dg e 0
| | exp
i ‘ Additional Additi l phase’ h ’
ln | | 2 M P 2 2 d 0
‘ Michelson phase’
() M () B () n B arg g n n
AZ ‘AKKUMULÁCIÓS IDŐ’ [ AZ ELSŐ SOLVAY – KONGRESSZUS [ 1911 ]] H. A. Lorentz (Leiden) : Ekvipartíció sugárzásra W. Nernst (Berlin) : A kvantumelmélet alkalmazása a fajhőre M. Planck (Berlin) : “Második elmélet”, zérusponti energia, a fásistér kvantálása H. Rubens (Berlin) : A Planck-formula kísérleti bizonyítékai A. Sommerfeld (München) : A hatáskvantum jelentősége nemperiodikus folyamatokra W. Wien (Würzburg) E. Warburg (Charlottenburg) : A Planck Planck-formula formula kísérleti bizonyítékai J. H. Jeans (Cambridge) : Kinetikus elmélet, aktív és passzív szabadsági fokok, fajhő E. Rutherford (Manchester) M. Brillouin (Paris) Madame Curie (Paris) P. Langevin (Paris) : A mágnesség á é kinetikus elmélete, é “Langevinfüggvény” J. Perrin (Paris) : A molekulák létezése, Brown-mozgás stb. kísérleti eredmények H. Poincaré (Paris) A. Einstein (Prag) : A fajhő kvantumelmélete, molekulák rotációjának kvantálása F. Hasenörl (Wien) H. Kamerling-Onnes (Leiden) : Elektromos vezetőképesség alacsony hőmérsékleten J. D. van der Waals (Amsterdam) M Knudsen (Kopenhagen) : Kinetikus elmélet, M. elmélet belső súrlódás súrlódás, diffúzió, hővezetés
h dtEkin 0
(E) / E
Delay in Photoemission. [ M. Schulze et al., Science 328, 1658-1662 (2010) ] ~ 24 asec
ÖSSZEFOGLALÁS AZ IGAZI KRITIKUS TEREK ELŐÁLLITÁSA MÉG MESSZE VAN AZ EVANESZCENS TEREK RENESZÁNSZA, ALKALMAZÁSOK INTEZIV E.M. SUGÁRZÁSOK ELŐÁLLITÁSA [NANOm, 150 ATTOs] NYITOTT KÉRDÉS: HHG, MULTIFOTON – MULTIPÓL INTERFERENCIA NYITOTT KÉRDÉS: A BEKAPCSOLÁS LEIRÁSA, LEIRÁSA JELANALIZIS NYITOTT KÉRDÉS: A FÁZIS KVANTUMOS BIZONYTALANSÁGA NYITOTT KÉRDÉS: MAGASRENDÜ KORRELÁCIÓK, DIAGNOSZTIKA NYITOTT KÉRDÉS: AZ AKKUMULÁCIÓS IDŐ NYITOTT KÉRDÉS: AZ EXTRÉM JELEK (KVANTUM) KOHERENCIÁJA
Two source of harmonics. Multipoles. [M. Abraham]
A ( y ) 4 e d G ( y x ( )) u ( )
( 4 ) 1 v / c 2
2
2
2
1 2 E B2 4
E B 2
2
0
in 0 t ˆ d (t ) e (t ) x (t ) d n e n
S. V. & F. Ehlotzky, Multiphoton Kramers-Heisenberg formula. IL NUOVO CIMENTO D15, 1371-1396 (1993)
Surface Plasmon Basics. Basics I. I B e y B( z )e i ( K x x t ) E (c / i )[ e x z B ( z ) ie z K x B ( z )]e i ( K x x t ) x sin 0 z cos 0 E 0 (e x cos 0 e z sin 0 ) | F0 | cos 0 t n1 0 c
n1 ( F0 e iK1 z z F1e iK1 z z ), B0 ( z ) n2 (G2 e iK 2 z z F2 e iK 2 z z ), n G e iK 3 z , 3 3 K (1, 2,3) z (0 / c) (1, 2,3) 1 sin 0 2
i (0 / c) 1 sin 2 0 (1, 2,3)
(z d ) (0 z d ) ( z 0) n1 (0 / c) sin 0 K 1x K x
G3 ( 4n1 B / n3 )e i ( K 2 z K1 z ) d F0 / D0
Surface Plasmon Basics. Basics II. II n1 f1e k1 z z , Bsp ( z ) n2 ( g 2 e k2 z z f 2 e k 2 z z ), n g e k 3 z z , 3 3 k (1, 2,3) z k12x ( / c) 2 (1, 2,3)
(z d ) (0 z d ) ( z 0)
2 ( 0 ) R i I 25.82 i1.63
( / c) 1 sin 2 (1, 2,3)
0 D sp g 3
1 (1.5) 2
3 1
Dsp (a 1)(b 1) (a 1)(b 1)e 2 k2 z d
k x k sp ( / c)[ 2 3 /(( 2 3 )]
1/ 2
c 42.84 t 1.03
Surface Plasmon Basics. Basics III. III 1 (1.5) 2
2 ( 0 ) R i I 25.82 i1.63
3 1
c 42.84 t 1.03 k3x
0 k sp c
I 1 i 1 2 2 ( 1 ) 2 ( 1 ) R R
k3z
I 1 i 2( R 1) c R 1 0
E sp (r, t ) g | F0 | exp( x / 2 Lsp ) exp( z / 2l3 ) [e z cos(0 t 0 ) ( R 1) 1 / 2 e x sin(0 t 0 )]
Hˆ e e (r, t ) i t e (r, t )
ˆ2 p Hˆ e V ( z ) er E sp 2m
