1
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Artemyev AN, Tomar R, Trabert D, Kargin D, Kutscher E, Schöffler MS, Schmidt LPH, Pietschnig R, Jahnke T, Kunitski M, Eckart S, Dörner R, Demekhin PV. Photoelectron Circular Dichroism in the Spin-Polarized Spectra of Chiral Molecules. Phys Rev Lett 2024; 132:123202. [PMID: 38579236 DOI: 10.1103/physrevlett.132.123202] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/22/2023] [Revised: 01/26/2024] [Accepted: 02/26/2024] [Indexed: 04/07/2024]
Abstract
We studied strong-field multiphoton ionization of 1-iodo-2-methylbutane enantiomers with 395 nm circularly polarized laser pulses experimentally and theoretically. For randomly oriented molecules, we observe spin polarization up to about 15%, which is independent of the molecular enantiomer. Our experimental findings are explained theoretically as an intricate interplay between three contributions from HOMO, HOMO-1, and HOMO-2, which are formed of 5p-electrons of the iodine atom. For uniaxially oriented molecules, our theory demonstrates even larger spin polarization. Moreover, we predict a sizable enantiosensitive photoelectron circular dichroism of about 10%, which is different for different spin states of photoelectrons.
Collapse
Affiliation(s)
- A N Artemyev
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - R Tomar
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - D Trabert
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - D Kargin
- Institut für Chemie und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - E Kutscher
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - M S Schöffler
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - L Ph H Schmidt
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - R Pietschnig
- Institut für Chemie und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - T Jahnke
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Saupfercheckweg 1, 69117 Heidelberg, Germany
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - M Kunitski
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - S Eckart
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - R Dörner
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Ph V Demekhin
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
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2
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Kastirke G, Ota F, Rezvan DV, Schöffler MS, Weller M, Rist J, Boll R, Anders N, Baumann TM, Eckart S, Erk B, De Fanis A, Fehre K, Gatton A, Grundmann S, Grychtol P, Hartung A, Hofmann M, Ilchen M, Janke C, Kircher M, Kunitski M, Li X, Mazza T, Melzer N, Montano J, Music V, Nalin G, Ovcharenko Y, Pier A, Rennhack N, Rivas DE, Dörner R, Rolles D, Rudenko A, Schmidt P, Siebert J, Strenger N, Trabert D, Vela-Perez I, Wagner R, Weber T, Williams JB, Ziolkowski P, Schmidt LPH, Czasch A, Tamura Y, Hara N, Yamazaki K, Hatada K, Trinter F, Meyer M, Ueda K, Demekhin PV, Jahnke T. Investigating charge-up and fragmentation dynamics of oxygen molecules after interaction with strong X-ray free-electron laser pulses. Phys Chem Chem Phys 2022; 24:27121-27127. [DOI: 10.1039/d2cp02408j] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/09/2022]
Abstract
The X-ray-induced charge-up and fragmentation process of a small molecule is examined in great detail by measuring the molecular-frame photoelectron interference pattern in conjunction with other observables in coincidence.
Collapse
Affiliation(s)
- G. Kastirke
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - F. Ota
- Department of Physics, University of Toyama, Gofuku 3190, Toyama 930-8555, Japan
| | - D. V. Rezvan
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - M. S. Schöffler
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M. Weller
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - J. Rist
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - R. Boll
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - N. Anders
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - T. M. Baumann
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - S. Eckart
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - B. Erk
- Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Notkestraße 85, 22607 Hamburg, Germany
| | - A. De Fanis
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - K. Fehre
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - A. Gatton
- SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, California 94025, USA
| | - S. Grundmann
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - P. Grychtol
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - A. Hartung
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M. Hofmann
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M. Ilchen
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - C. Janke
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M. Kircher
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M. Kunitski
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - X. Li
- J.R. Macdonald Laboratory, Department of Physics, Kansas State University, Manhattan, Kansas 66506, USA
| | - T. Mazza
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - N. Melzer
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - J. Montano
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - V. Music
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - G. Nalin
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Y. Ovcharenko
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - A. Pier
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - N. Rennhack
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - D. E. Rivas
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - R. Dörner
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - D. Rolles
- J.R. Macdonald Laboratory, Department of Physics, Kansas State University, Manhattan, Kansas 66506, USA
| | - A. Rudenko
- J.R. Macdonald Laboratory, Department of Physics, Kansas State University, Manhattan, Kansas 66506, USA
| | - Ph. Schmidt
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - J. Siebert
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - N. Strenger
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - D. Trabert
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - I. Vela-Perez
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - R. Wagner
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - Th. Weber
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Chemical Sciences Division, Berkeley, California 94720, USA
| | - J. B. Williams
- Department of Physics, University of Nevada, Reno, Nevada 89557, USA
| | - P. Ziolkowski
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - L. Ph. H. Schmidt
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - A. Czasch
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Y. Tamura
- Department of Physics, University of Toyama, Gofuku 3190, Toyama 930-8555, Japan
| | - N. Hara
- Department of Physics, University of Toyama, Gofuku 3190, Toyama 930-8555, Japan
| | - K. Yamazaki
- RIKEN Center for Advanced Photonics, RIKEN, 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama, 351-0198, Japan
| | - K. Hatada
- Department of Physics, University of Toyama, Gofuku 3190, Toyama 930-8555, Japan
| | - F. Trinter
- Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Notkestraße 85, 22607 Hamburg, Germany
- Molecular Physics, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Faradayweg 4-6, 14195 Berlin, Germany
| | - M. Meyer
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
| | - K. Ueda
- Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, Katahira 2-1-1, Aoba-ku, Sendai 980-8577, Japan
- Department of Chemistry, Tohoku University, 6-3 Aramaki Aza-Aoba, Aoba-ku, Sendai, 980-8578, Japan
| | - Ph. V. Demekhin
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - T. Jahnke
- European XFEL, Holzkoppel 4, 22869 Schenefeld, Germany
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3
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Trabert D, Anders N, Brennecke S, Schöffler MS, Jahnke T, Schmidt LPH, Kunitski M, Lein M, Dörner R, Eckart S. Nonadiabatic Strong Field Ionization of Atomic Hydrogen. Phys Rev Lett 2021; 127:273201. [PMID: 35061406 DOI: 10.1103/physrevlett.127.273201] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/29/2021] [Accepted: 12/07/2021] [Indexed: 06/14/2023]
Abstract
We present experimental data on the nonadiabatic strong field ionization of atomic hydrogen using elliptically polarized femtosecond laser pulses at a central wavelength of 390 nm. Our measured results are in very good agreement with a numerical solution of the time-dependent Schrödinger equation (TDSE). Experiment and TDSE show four above-threshold ionization peaks in the electron's energy spectrum. The most probable emission angle (also known as "attoclock offset angle" or "streaking angle") is found to increase with energy, a trend that is opposite to standard predictions based on Coulomb interaction with the ion. We show that this increase of deflection angle can be explained by a model that includes nonadiabatic corrections of the initial momentum distribution at the tunnel exit and nonadiabatic corrections of the tunnel exit position itself.
Collapse
Affiliation(s)
- D Trabert
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - N Anders
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - S Brennecke
- Institut für Theoretische Physik, Leibniz Universität Hannover, Appelstraße 2, 30167 Hannover, Germany
| | - M S Schöffler
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - T Jahnke
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - L Ph H Schmidt
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M Kunitski
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M Lein
- Institut für Theoretische Physik, Leibniz Universität Hannover, Appelstraße 2, 30167 Hannover, Germany
| | - R Dörner
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - S Eckart
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
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4
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Fehre K, Novikovskiy NM, Grundmann S, Kastirke G, Eckart S, Trinter F, Rist J, Hartung A, Trabert D, Janke C, Nalin G, Pitzer M, Zeller S, Wiegandt F, Weller M, Kircher M, Hofmann M, Schmidt LPH, Knie A, Hans A, Ltaief LB, Ehresmann A, Berger R, Fukuzawa H, Ueda K, Schmidt-Böcking H, Williams JB, Jahnke T, Dörner R, Schöffler MS, Demekhin PV. Fourfold Differential Photoelectron Circular Dichroism. Phys Rev Lett 2021; 127:103201. [PMID: 34533326 DOI: 10.1103/physrevlett.127.103201] [Citation(s) in RCA: 10] [Impact Index Per Article: 3.3] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 06/21/2021] [Accepted: 08/08/2021] [Indexed: 06/13/2023]
Abstract
We report on a joint experimental and theoretical study of photoelectron circular dichroism (PECD) in methyloxirane. By detecting O 1s photoelectrons in coincidence with fragment ions, we deduce the molecule's orientation and photoelectron emission direction in the laboratory frame. Thereby, we retrieve a fourfold differential PECD clearly beyond 50%. This strong chiral asymmetry is reproduced by ab initio electronic structure calculations. Providing such a pronounced contrast makes PECD of fixed-in-space chiral molecules an even more sensitive tool for chiral recognition in the gas phase.
Collapse
Affiliation(s)
- K Fehre
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - N M Novikovskiy
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Strasse 40, Kassel 34132, Germany
- Institute of Physics, Southern Federal University, Rostov-on-Don 344090, Russia
| | - S Grundmann
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - G Kastirke
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - S Eckart
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - F Trinter
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
- Molecular Physics, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Faradayweg 4-6, Berlin 14195, Germany
| | - J Rist
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - A Hartung
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - D Trabert
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - C Janke
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - G Nalin
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - M Pitzer
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - S Zeller
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - F Wiegandt
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - M Weller
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - M Kircher
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - M Hofmann
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - L Ph H Schmidt
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - A Knie
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Strasse 40, Kassel 34132, Germany
| | - A Hans
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Strasse 40, Kassel 34132, Germany
| | - L Ben Ltaief
- Department of Physics and Astronomy, Aarhus University, Århus 8000, Denmark
| | - A Ehresmann
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Strasse 40, Kassel 34132, Germany
| | - R Berger
- Theoretical Chemistry, Universität Marburg, Hans-Meerwein-Strasse 4, Marburg 35032, Germany
| | - H Fukuzawa
- Institute of multidisciplinary research for advanced materials, Tohoku University, Sendai 980-8577, Japan
| | - K Ueda
- Institute of multidisciplinary research for advanced materials, Tohoku University, Sendai 980-8577, Japan
| | - H Schmidt-Böcking
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - J B Williams
- Department of Physics, University of Nevada, Reno, Nevada 89557, USA
| | - T Jahnke
- European XFEL, Holzkoppel 4, Schenefeld 22869, Germany
| | - R Dörner
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - M S Schöffler
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, Frankfurt am Main 60438, Germany
| | - Ph V Demekhin
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Strasse 40, Kassel 34132, Germany
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Collapse
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5
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Fehre K, Eckart S, Kunitski M, Janke C, Trabert D, Hofmann M, Rist J, Weller M, Hartung A, Schmidt LPH, Jahnke T, Braun H, Baumert T, Stohner J, Demekhin PV, Schöffler MS, Dörner R. Strong Differential Photoion Circular Dichroism in Strong-Field Ionization of Chiral Molecules. Phys Rev Lett 2021; 126:083201. [PMID: 33709766 DOI: 10.1103/physrevlett.126.083201] [Citation(s) in RCA: 8] [Impact Index Per Article: 2.7] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/20/2020] [Accepted: 01/15/2021] [Indexed: 06/12/2023]
Abstract
We investigate the differential ionization probability of chiral molecules in the strong-field regime as a function of the helicity of the incident light. To this end, we analyze the fourfold ionization of bromochlorofluoromethane (CHBrClF) with subsequent fragmentation into four charged fragments and different dissociation channels of the singly ionized methyloxirane. By resolving for the molecular orientation, we show that the photoion circular dichroism signal strength is increased by 2 orders of magnitude.
Collapse
Affiliation(s)
- K Fehre
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - S Eckart
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M Kunitski
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - C Janke
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - D Trabert
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M Hofmann
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - J Rist
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M Weller
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - A Hartung
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - L Ph H Schmidt
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - T Jahnke
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - H Braun
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - T Baumert
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - J Stohner
- ZHAW Zurich University for Applied Sciences, Department N, Campus Reidbach, Research Group Physical Chemistry Einsiedlerstrasse 31, 8820 Wädenswil, Switzerland
| | - Ph V Demekhin
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - M S Schöffler
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - R Dörner
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Frankfurt Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
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Collapse
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6
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Hartung A, Brennecke S, Lin K, Trabert D, Fehre K, Rist J, Schöffler MS, Jahnke T, Schmidt LPH, Kunitski M, Lein M, Dörner R, Eckart S. Electric Nondipole Effect in Strong-Field Ionization. Phys Rev Lett 2021; 126:053202. [PMID: 33605768 DOI: 10.1103/physrevlett.126.053202] [Citation(s) in RCA: 3] [Impact Index Per Article: 1.0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 08/17/2020] [Accepted: 01/08/2021] [Indexed: 06/12/2023]
Abstract
Strong-field ionization of atoms by circularly polarized femtosecond laser pulses produces a donut-shaped electron momentum distribution. Within the dipole approximation this distribution is symmetric with respect to the polarization plane. The magnetic component of the light field is known to shift this distribution forward. Here, we show that this magnetic nondipole effect is not the only nondipole effect in strong-field ionization. We find that an electric nondipole effect arises that is due to the position dependence of the electric field and which can be understood in analogy to the Doppler effect. This electric nondipole effect manifests as an increase of the radius of the donut-shaped photoelectron momentum distribution for forward-directed momenta and as a decrease of this radius for backwards-directed electrons. We present experimental data showing this fingerprint of the electric nondipole effect and compare our findings with a classical model and quantum calculations.
Collapse
Affiliation(s)
- A Hartung
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - S Brennecke
- Institut für Theoretische Physik, Leibniz Universität Hannover, Appelstraße 2, 30167 Hannover, Germany
| | - K Lin
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
- State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University, 200241, Shanghai, China
| | - D Trabert
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - K Fehre
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - J Rist
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M S Schöffler
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - T Jahnke
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - L Ph H Schmidt
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M Kunitski
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M Lein
- Institut für Theoretische Physik, Leibniz Universität Hannover, Appelstraße 2, 30167 Hannover, Germany
| | - R Dörner
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - S Eckart
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Straße 1, 60438 Frankfurt, Germany
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Fehre K, Eckart S, Kunitski M, Pitzer M, Zeller S, Janke C, Trabert D, Rist J, Weller M, Hartung A, Schmidt LPH, Jahnke T, Berger R, Dörner R, Schöffler MS. Enantioselective fragmentation of an achiral molecule in a strong laser field. Sci Adv 2019; 5:eaau7923. [PMID: 30873429 PMCID: PMC6408155 DOI: 10.1126/sciadv.aau7923] [Citation(s) in RCA: 9] [Impact Index Per Article: 1.8] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/16/2018] [Accepted: 01/24/2019] [Indexed: 05/13/2023]
Abstract
Chirality is omnipresent in living nature. On the single molecule level, the response of a chiral species to a chiral probe depends on their respective handedness. A prominent example is the difference in the interaction of a chiral molecule with left or right circularly polarized light. In the present study, we show by Coulomb explosion imaging that circularly polarized light can also induce a chiral fragmentation of a planar and thus achiral molecule. The observed enantiomer strongly depends on the orientation of the molecule with respect to the light propagation direction and the helicity of the ionizing light. This finding might trigger new approaches to improve laser-driven enantioselective chemical synthesis.
Collapse
Affiliation(s)
- K. Fehre
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
- Corresponding author. (K.F.); (M.S.S.)
| | - S. Eckart
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M. Kunitski
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M. Pitzer
- Chemical Physics Department, Weizmann Institute of Science, P.O. Box 26, 76100 Rehovot, Israel
| | - S. Zeller
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - C. Janke
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - D. Trabert
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - J. Rist
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M. Weller
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - A. Hartung
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - L. Ph. H. Schmidt
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - T. Jahnke
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - R. Berger
- Fachbereich Chemie, Philipps-Universität Marburg, Hans-Meerwein-Straße 4, 35032 Marburg, Germany
| | - R. Dörner
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M. S. Schöffler
- Institut für Kernphysik Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
- Corresponding author. (K.F.); (M.S.S.)
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Mhamdi A, Rist J, Aslitürk D, Weller M, Melzer N, Trabert D, Kircher M, Vela-Pérez I, Siebert J, Eckart S, Grundmann S, Kastirke G, Waitz M, Khan A, Schöffler MS, Trinter F, Dörner R, Jahnke T, Demekhin PV. Breakdown of the Spectator Concept in Low-Electron-Energy Resonant Decay Processes. Phys Rev Lett 2018; 121:243002. [PMID: 30608769 DOI: 10.1103/physrevlett.121.243002] [Citation(s) in RCA: 3] [Impact Index Per Article: 0.5] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 10/09/2018] [Indexed: 06/09/2023]
Abstract
We suggest that low-energy electrons, released by resonant decay processes, experience substantial scattering on the electron density of excited electrons, which remain a spectator during the decay. As a result, the angular emission distribution is altered significantly. This effect is expected to be a common feature of low-energy secondary electron emission. In this Letter, we exemplify our idea by examining the spectator resonant interatomic Coulombic decay of Ne dimers. Our theoretical predictions are confirmed by a corresponding coincidence experiment.
Collapse
Affiliation(s)
- A Mhamdi
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
| | - J Rist
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - D Aslitürk
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M Weller
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - N Melzer
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - D Trabert
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M Kircher
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - I Vela-Pérez
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - J Siebert
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - S Eckart
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - S Grundmann
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - G Kastirke
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M Waitz
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - A Khan
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - M S Schöffler
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - F Trinter
- Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), FS-PE, Notkestrasse 85, 22607 Hamburg, Germany
- Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Molecular Physics, Faradayweg 4, 14195 Berlin, Germany
| | - R Dörner
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - T Jahnke
- Institut für Kernphysik, J. W. Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt am Main, Germany
| | - Ph V Demekhin
- Institut für Physik und CINSaT, Universität Kassel, Heinrich-Plett-Straße 40, 34132 Kassel, Germany
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Eckart S, Fehre K, Eicke N, Hartung A, Rist J, Trabert D, Strenger N, Pier A, Schmidt LPH, Jahnke T, Schöffler MS, Lein M, Kunitski M, Dörner R. Direct Experimental Access to the Nonadiabatic Initial Momentum Offset upon Tunnel Ionization. Phys Rev Lett 2018; 121:163202. [PMID: 30387676 DOI: 10.1103/physrevlett.121.163202] [Citation(s) in RCA: 18] [Impact Index Per Article: 3.0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/03/2018] [Revised: 08/16/2018] [Indexed: 06/08/2023]
Abstract
We report on the nonadiabatic offset of the initial electron momentum distribution in the plane of polarization upon single ionization of argon by strong field tunneling and show how to experimentally control the degree of nonadiabaticity. Two-color counter- and corotating fields (390 and 780 nm) are compared to show that the nonadiabatic offset strongly depends on the temporal evolution of the laser electric field. We introduce a simple method for the direct access to the nonadiabatic offset using two-color counter- and corotating fields. Further, for a single-color circularly polarized field at 780 nm, we show that the radius of the experimentally observed donutlike distribution increases for increasing momentum in the light propagation direction. Our observed initial momentum offsets are well reproduced by the strong-field approximation. A mechanistic picture is introduced that links the measured nonadiabatic offset to the magnetic quantum number of virtually populated intermediate states.
Collapse
Affiliation(s)
- S Eckart
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - K Fehre
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - N Eicke
- Institut für Theoretische Physik, Leibniz Universität Hannover, Appelstr. 2, 30167 Hannover, Germany
| | - A Hartung
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - J Rist
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - D Trabert
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - N Strenger
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - A Pier
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - L Ph H Schmidt
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - T Jahnke
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M S Schöffler
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M Lein
- Institut für Theoretische Physik, Leibniz Universität Hannover, Appelstr. 2, 30167 Hannover, Germany
| | - M Kunitski
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - R Dörner
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt, Germany
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Trabert D, Hartung A, Eckart S, Trinter F, Kalinin A, Schöffler M, Schmidt LPH, Jahnke T, Kunitski M, Dörner R. Spin and Angular Momentum in Strong-Field Ionization. Phys Rev Lett 2018; 120:043202. [PMID: 29437459 DOI: 10.1103/physrevlett.120.043202] [Citation(s) in RCA: 4] [Impact Index Per Article: 0.7] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 11/10/2017] [Indexed: 06/08/2023]
Abstract
The spin polarization of electrons from multiphoton ionization of Xe by 395 nm circularly polarized laser pulses at 6×10^{13} W/cm^{2} has been measured. At this photon energy of 3.14 eV the above-threshold ionization peaks connected to Xe^{+} ions in the ground state (J=3/2, ionization potential I_{p}=12.1 eV) and the first excited state (J=1/2, I_{p}=13.4 eV) are clearly separated in the electron energy distribution. These two combs of above-threshold ionization peaks show opposite spin polarizations. The magnitude of the spin polarization is a factor of 2 higher for the J=1/2 than for the J=3/2 final ionic state. In turn, the data show that the ionization probability is strongly dependent on the sign of the magnetic quantum number.
Collapse
Affiliation(s)
- D Trabert
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - A Hartung
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - S Eckart
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - F Trinter
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - A Kalinin
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M Schöffler
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - L Ph H Schmidt
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - T Jahnke
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - M Kunitski
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt, Germany
| | - R Dörner
- Institut für Kernphysik, Goethe-Universität, Max-von-Laue-Strasse 1, 60438 Frankfurt, Germany
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Collapse
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