Ultrafast dynamics in intense laser-matter interaction  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
126886
Type KH
Principal investigator Tőkési, Károly
Title in Hungarian Ultragyors folyamatok vizsgálata intenzív lézer-anyag ütközésekben
Title in English Ultrafast dynamics in intense laser-matter interaction
Keywords in Hungarian szemi-klasszikus közelítés, két lépcsős folyamat, attomásodperc, ionizáció, fotoelektron
Keywords in English Semiclassical approach, two-step model, attosecond, ionization, photoelectron
Discipline
Computing Science (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Physics 1
Department or equivalent Surface physics research group (HUN-REN Institute for Nuclear Research)
Participants Budai, László
Nagy, Ladislau
Starting date 2017-12-01
Closing date 2020-12-31
Funding (in million HUF) 20.000
FTE (full time equivalent) 4.52
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Projektünk keretein belül olyan programok kifejlesztését tűztük ki célul, melyekkel szisztematikus vizsgálatok végezhetők külső perturbációk hatására bekövetkező ultragyors soktest válaszfüggvények meghatározására. Vizsgálataink egyediséget az fogja adni, hogy az elektronikus mozgásokat azok természetes, attoszekundumos időskálán fogjuk vizsgálni.
Várakozásaink szerint a kifejlesztésre kerülő modellünk leírja az elektronok erősen nem lineáris válaszát sokelektronos atomokban, molekulákban vagy bonyolultabb rendszerekben melyeket intenzív-fény generál. Vizsgálni kívánjuk a következőket:
Komplex szórási folyamatok vizsgálata atomi, molekula, és szilárdtest céltárgyak esetében.
Különböző célatomok (H, He, Ne, Ar) estében elméletileg tanulmányozni fogjuk a holografikus mintákat (HM). A különböző célatomokról nyert HM mintákat mennyiségi analízisnek vetjük alá.
Hullámfüggvény-elemző program kidolgozása, ami lehetővé teszi az intra-impulzus által kiváltott interferencia részletesen tanulmányozását atomi és molekuláris céltárgyak esetében.
Fotoelektronok sávozódásának tanulmányozása.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A tervezett projekt elméleti munkákra épül, melynek célja hatékony, gyors programok kifejlesztése fotoionizációval kapcsolatos ultra gyors folyamatok tanulmányozására
Az új programok segítségével, a számításainkat a fokozatosság fogja jellemezni. Először egyszerű atomi céltárgyakat vizsgálunk (holografikus térképek, interferencia jelenségek). Majd a célunk a bonyolultabb rendszerek leírása lesz, mint molekulák vagy kisebb klaszterek és nano objektumok, mint például a nano tűk. A projekt keretében javítani, pontosítani szeretnénk a folyamatok hatáskeresztmetszeteinek leírását.
Az említett rendszerek megfelelő fényforással való besugárzása új perspektívát nyit a rendszerek szerkezetének vizsgálatában és lehetőséget ad a velük kapcsolatos folyamatok irányítására. Például attoszekundomos, ultra-rövid lézerimpulzusok alkalmasak az elektron mozgásának megfigyelésére azok valós, atomi skáláján. A tervezett projekt egyértelműen az alapkutatás kategóriájába esik. Ugyanakkor munkáink közvetlen alkalmazása kísérleti eredmények értelmezésére új utat nyithat különböző technológiai fejlődéshez, és esetleg új technológiák kialakulását idézheti elő.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A projekt eredményeinek felhasználásával új út nyílik több kísérleti eredmény értelmezésére, melyek különböző céltárgyak elektronjainak külső elektromos terek hatására vagy azok mintában történő bolyongása során bekövetkező ultragyors válaszának megéretésére irányulnak. Különböző céltárgyakon felvett holografikus térképek teljes megértésére fogunk törekedni.
Nagy valószínűséggel eredményeink a szilárdanyagokban leírt ultragyors dielektromos válaszok tanulmányozásában jelentős hatással lesznek a szilárdtestek tulajdonságainak tanulmányozását művelők között is. A kidolgozott módszer lehetőség fog adni a jelenségek leírásán túl becslések és előrejelzésekre is. Így akár új eddig nem ismert anyagok, új vegyületek jósolhatók meg.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Projektünk keretein belül kifejlesztett programok segítségével szisztematikus vizsgálatokat tervezünk külső perturbációk hatására bekövetkező ultragyors soktest válaszfüggvények meghatározására. Vizsgálataink egyediséget az fogja adni, hogy az elektronikus mozgásokat azok természetes időskáláján, attoszekundumos időskálán fogjuk vizsgálni.
Az attomásodperces fizika egy új tudományterület, amely hihetetlenül rövid időintervallumokkal dolgozik. Az attomásodperc a másodperc egymilliárdod részének az egymilliárdod része (azaz 0.000 000 000 000 000 001 másodperc!). Ez a természetes időskálája a kvantumfizikának és az elektronok mozgásának anyagokban. Ez az az idő, amelyen belül a kémiai kötések kialakulnak, vagy amely alatt egy fotocella reagál a fényre. Csak az új, ultragyors lézerek által vált lehetővé a tudósok számára, hogy -- mint egy filmen -- valós időben figyelhessék meg az elektronok mozgását az atomokban vagy akár a szilárdtestekben. A végső cél azonban nem csak nézni, hanem, ellenőrizni és befolyásolni is ezeket az ultragyors mozgásokat, melyek új technológiai alkalmazásokra irányulnak.
Az attotudomány új technológiák kifejlesztését ígéri a közeli jövőben. Az egyre gyorsabb és gyorsabb elektronika és számítógépek keresése és kifejlesztése a jelenlegi félvezető alapú technológiára épülve hamarosan eléri a határait. A félvezető technika lecserélése a fényalapú technikára sok nagyságrenddel gyorsabb lehetőséget ígér. Ellentétben a jelenlegi laptopokban alkalmazott chipekkel, melyek GHz (Giga) frekvenciájú órajellel dolgoznak, fénytechnika bevezetése Peta- Hertz (PHZ) órajelfrekvenciát ígér, ami milliószor gyorsabb a korábbinál.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Within the framework of our project, we aimed to develop computer codes which can be used to systematically investigate ultrafast response of a many-body system to an external perturbation. A unique feature of our investigations is that the electronic motion will be seen in the natural, attosecond time scale.
Our models are expected to describe highly nonlinear response of electrons in atoms, molecules or solids to intense-light and ion-induced fields.
We plan to investigate:
Investigation of complex scattering processes for atomic, molecular and solid state targets.
The formation the HM pattern for different atomic targets (H, He, Ne, Ar) will be theoretically studied. The HM patterns obtained for different targets will be quantitatively compared each other.
We will develop a new wave function analysis tools to study in details the intra-pulse interference effects for small atomic and molecular targets.
Investigation of streaking images.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The project is based on theoretical works designed to develop effective and fast programs for the study of ultra-fast processes related to photoionization.
By the help of the newly developed programs, the calculations will be characterized by gradualism. First, a simple atomic targets are being tested (holographic maps, interference phenomena). Then one of our goal will be the description of complex systems such as molecules small clusters, nano-objects like nanotips. Within the framework of the project, we want to improve the description of the cross sections of the processes.
The use of novel light sources and fast ions colliding with the mentioned targeting systems opens new perspectives to study their structure and gives the possibility for controlling different processes with these systems. Ultra-short laser pulses of attosecond duration permit to "visualize" the movement of electrons on the atomic scale. The proposed project clearly falls in the category of basic research. However, direct application of our work in the interpretation of experimental results will open up the pathway to advances in technology and, possibly, to development of new techniques.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
We aim at a detailed understanding of electron transport in ordered materials under influence of strong time-dependent external fields. To this end, we will model the ultrafast response of the target electronic system by external fields. Once this goal is reached we will be in an excellent position to model and interpret experiments of our collaborators. Furthermore, direct technological applications are envisioned and may lead to improved surface-sensitive measurement techniques. We will strive to fully understand the holographic maps on different targets.
Most likely, our results in studying ultrafast dielectric responses in solids will also have a significant impact on the study of solid state properties. The developed method will give an opportunity beyond the description of the phenomena for estimates and forecasts. Thus new substances can be predicted.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
With the help of programs developed within the framework of our project, we plan to systematically investigate the ultra-fast response of many-body responses due to external perturbations. In a recent series of experiments employing attosecond metrology in atomic collisions and at solid surfaces it has become possible to track the electronic motion on its natural, i.e. attosecond time scale. Attosecond physics is a new field of science that deals with incredibly short time scales. An attosecond is a billionth of a billionth of a second. It is the natural time scale of quantum physics and of electrons in matter. It is the time within which chemical bonds are formed or a photocell responds to light. Only with the development of new ultrafast lasers become scientists the tools in their hands to watch in real time, just like in a movie, what electrons do in atoms or in a solid. The ultimate goal is not just to watch but to control and to influence such ultrafast motion for new technological applications.

Attoscience promises to develop new technologies for the future. In the quest for faster and faster electronics and computers, current semiconductor based technology will very soon reach its limits. Replacing semiconductors by light fields promises a speed up by many orders of magnitude. Unlike the chips we have currently in our laptops working at GHz clock speed, light field electronics promises clock speeds of Peta- Hertz ( PHz), a million times faster. Our research has also impact for biological applications such as the investigation of radiation damage in biological tissue.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt eredményeinek felhasználásával új út nyílt több kísérleti eredmény értelmezésére, melyek különböző céltárgyak elektronjainak külső elektromos terek hatására vagy azok mintában történő bolyongása során bekövetkező ultragyors válaszának megéretésére irányultak. A teljesség igénye nélkül, példaként említem a következőket: 1) 1) Elsőként sikerült, kiterjesztenünk az erősmezős ionizáció szemiklasszikus kétlépcsős modellünket atomi hidrogén céltárgyról, amely képes leírni a kvantuminterferenciát valamint a Coulomb-potenciál hatását, hidrogénmolekulára. 2) Nagyobb rendszerek elméleti vizsgálatához kifejlesztettük az időfüggő komplett-aktív tér-önálló mező módszerét, time-dependent complete-active-space self-consistent field (TD-CASSCF), amely kis számítási költségekkel lehetővé teszi a pontos szimulációkat, figyelembe véve az elektron-elektron korrelációt atomokra és molekulákra. 3) Kifejlesztettünk egy módszert, melynek segítségével meghatározható az abszolút fázisviszony az elsődleges és a másodrendű harmónikus között. A kísérleti adatok mellett csak néhány könnyen kiszámítható elméleti paraméterre van szükség. 4) Optikai konstans abszolút kinyerési módszerét mutattuk meg a mért visszaszórt elektron energiaveszteségi spektrumokból (REELS) az általunk kifejlesztett úgynevezett fordított Monte Carlo (RMC) technikával. A módszer az elektron felszín közeli rugalmas és rugalmatlan szórásának közvetlen fizikai modellezésén alapszik, ahol a felületi gerjesztése fontos ahhoz, hogy teljesen leírhassuk az elektron enegiaveszteségi jellegét a rugalmas csúcs intenzitásához képest.
Results in English
Using the results of the project, a new way was opened to interpret experimental results aimed at the understanding of the ultrafast electronic response for different targets influenced by external electric fields or during random motion of electrons in a sample. Without wishing to be exhaustive, I will cite the following examples: 1) We extended our semiclassical two-step model for strong-field ionization that describes quantum interference and accounts for the Coulomb potential beyond the semiclassical perturbation theory to the hydrogen molecule. 2) For the theoretical study of larger systems, we have developed a time-dependent complete-active-space-self-consistent field (TD-CASSCF) method, which allows accurate simulations with low computational costs, taking into account the electron -electron correlation for atoms and molecules. 3) We have developed a method to determine the absolute phase relationship between the primary and second harmonics. In addition to the experimental data, only a few easily predictable theoretical parameters are needed. 4) 3) We have shown the absolute extraction method of an optical constant from the measured backscattered electron energy loss spectra (REELS) using the so-called inverse Monte Carlo (RMC) technique developed by us. The method is based on the direct physical modeling of the elastic and inelastic scattering of an electron near the surface, where its surface excitation is important to fully describe the energy loss nature of the electron near the elastic peak.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=126886
Decision
Yes





 

List of publications

  
Tőkési K, Varga D: Multiple Scattering in Electron Rutherford Scattering Spectroscopy, In: dos, Santos ACF (szerk.) Frontiers in Nuclear and Particle Physics, Bentham Science Publishers Ltd. (2018) pp. 135-176., 2018
L. H. Yang, K. Tőkési , J. Tóth, B. Da, H. M. Li, and Z. J. Ding: Optical properties of silicon and germanium determined by high-precision analysis of reflection electron energy loss spectroscopy spectra, PHYSICAL REVIEW B 100, 245209 (2019), 2019
Chao Li, Károly K. Tőkési, Luca Repetto, Liye Xiao, Junbiao Liu, Zhaoshun Gao, Li Han, Bo Da, Réka Judit Bereczky, and Zejun Ding: A Monte Carlo calculation of the secondary electron emission inthe backward direction from a SiO2 macro-capillary, Eur. Phys. J. D (2020) 74: 37, 2020
Saed J. Al Atawneh, Örs Asztalos, Borbála Szondy, Gergő I. Pokol and Károly Tőkési,: Ionization Cross Sections in the Collision between Two Ground State Hydrogen Atoms at Low Energies, Atoms 2020, 8, 31, 2020
I. Ziaeian and K. Tőkési: Interaction of Be4+ and Ground State Hydrogen Atom—Classical Treatment of the Collision, Atoms 2020, 8, 27, 2020
Abrar Hussain, Lihao Yang, Shifeng Mao, Bo Da, Károly Tőkési, Z.J. Ding: Determination of electron backscattering coefficient of beryllium by a high-precision Monte Carlo simulation, Nuclear Materials and Energy 26 (2021) 100862, 2021
Y.-P. Maillard, J.-Cl. Dousse, J. Hoszowska, M. Berset, O. Mauron, and P.-A. Raboud, M. Kavčič, J. Rzadkiewicz, D. Bana, K. Tökési: Hypersatellite x-ray decay of 3d hollow-K-shell atoms produced by heavy-ion impact, PHYSICAL REVIEW A 98, 012705, 2018
S. Borbély, X.-M. Tong, S. Nagele, J. Feist, I. Březinová, F. Lackner, L. Nagy, K. Tőkési, and J. Burgdörf: Electron correlations in the antiproton energy-loss distribution in He, PHYSICAL REVIEW A 98 (2018) 012707, 2018
D.Borkaa, J.Tóth, K.Tőkési: Backscattered electron spectra from graphite, Physics Letters A, 382 2470, 2018
L.H. Yang, M. Menyhárd, A. Sulyok, K. Tőkési, and Z.J. Ding: Optical properties and excitation energies of iridium derived from reflection electron energy loss spectroscopy spectra, Applied Surface Science 456 999, 2018
J.B. Maljković, D. Borka, M. Lj. Ranković, B.P. Marinković,, A.R. Milosavljević, C. Lemell, K. Tőkési: Electron transmission through a steel capillary, Nuclear Inst, and Methods in Physics Research B 423 87, 2018
K. Tőkési and D. Varga: Multiple Scattering in Electron Rutherford, Scattering Spectroscopy, Frontiers in Nuclear and Particle Physics, Vol. 1, 132, 2018
H. Xu, L.H. Yang, J. Tóth, K. Tőkési, B. Da, Z.J. Ding: Absolute determination of optical constants of three transition metals using reflection electron energy loss spectroscopy, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 123 043306, 2018
S. Borbély, A. Tóth, D. G. Arbó, K. Tőkési, and L. Nagy: Photoelectron holography of atomic targets, PHYSICAL REVIEW A 99 (2019) 013413, 2019
R. D. DuBois, K. Tőkési, and E. Giglio: Charge deposition, redistribution, and decay properties of insulating surfaces obtained from guiding of low-energy ions through capillaries, PHYSICAL REVIEW A 99 (2019) 062704, 2019
L.H. Yang, M. Menyhard, A. Sulyok, K. Tőkési, Z.J.Ding: Determination of electron inelastic mean free path of threetransition metals from reflection electron energy loss spectroscopy spectrum measurement data, Eur. Phys. J. D (2019) 73: 21, 2019
Károly Tőkési, Béla Paripás, and Endre Kovács: Classical trajectory Monte Carlo simulation of coincidence experiments in electron impact ionization of helium, Eur. Phys. J. D (2019) 73: 84, 2019
M.A. Pocsai, I.F. Barna, K. Tőkési: Photoionization of rubidium atoms in strong laser fields, Eur. Phys. J. D (2019) 73: 74, 2019
J.M. Gong, L.H. Yang, A. Sulyok, K. Tőkési, Z.J. Ding: Surface and bulk excitations of silver determined from the reflected energy loss spectroscopy spectra, Eur. Phys. J. D (2019) 73: 24, 2019
Jelena B. Maljkovic, Jelena Vukovic Károly Tőkési, Branko Predojevic, and Bratislav P. Marinkovic: Elastic electron scattering cross sections for triethyl phosphate molecule at intermediate electron energies from 50 eV to 250 eV, Eur. Phys. J. D (2019) 73: 27, 2019
Nikolay I. Shvetsov-Shilovski, Manfred Lein, Károly Tőkési: Semiclassical two-step model for ionization of the hydrogen molecule by a strong laser field, Eur. Phys. J. D (2019) 73: 37, 2019
O. Asztalos, B. Szondy, K.Tőkési, G.I.Pokol: Application of collisional radiative models in Beam Emission Spectroscopy (BES) modeling for fusion plasma density diagnostics, Eur. Phys. J. D (2019) 73: 116, 2019
Takeshi Mukoyama and Károly Tőkési: K-shell ionization cross sections of atoms by muons and pions, Eur. Phys. J. D (2019) 73: 120, 2019
V. Oliveira, A.H. A. Gomes, A.C.F. Santos, K. Tőkési: Electron capture and loss of O+ projectile in collision with water, Eur. Phys. J. D (2019) 73: 146, 2019
L. Budai, Z. Márton, P. Dombi, K. Tőkési: Simulation of spontaneous electron emission from metallic nanoparticles under laser irradiation, Eur. Phys. J. D (2019) 73: 138, 2019
Yuki Orimo, Károly Tőkési, Takeshi Sato, Kenishi L. Ishikawa: Comparison between quantum and classical calculations for above threshold ionization of argon, Eur. Phys. J. D (2019) 73: 153, 2019
GUL. Nagy, I. Rajta, K. Tőkési: Temporal evolution of the energy spectrum of proton microbeam guided through an insulating macrocapillary, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B 458 (2019) 7–11, 2019
Tőkési, K: Energy loss of charged particles in collision with atoms and surfaces,, Advances in Quantum Chemistry, Volume 80 (2019) 87-125, 2019
E. Giglio, K. Tőkésib⁠, R.D. DuBois: Relaxation dynamics of charge patches formed inside an insulating capillary by ionimpact, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B 460 (2019) 234–239, 2019
G.U.L. Nagy, E. Giglio, I. Rajta, K. Tőkési: Transmission dynamics of 1MeV H+⁠ microbeam guided through an insulating macrocapillary, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B 460 (2019) 216–219, 2019




 

Events of the project

  
2023-04-25 14:37:09
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Elektronikai Laboratórium (Atommagkutató Intézet), Új kutatóhely: Felületfizikai kutatócsoport (Atommagkutató Intézet).



Back »