Insikten om att ljus ibland måste behandlas som en elektromagnetisk våg och ibland som en ström av energikvantor som kallas fotoner är lika gammal som kvantfysik. Vid interaktion mellan starka laserfält och atomer finner dualismen sin analog i de intuitiva bilderna som används för att förklara jonisering och excitation:Multiphotonbilden och tunnelingbilden. I en kombinerad experimentell och teoretisk studie om ultrasnabb excitation av atomer i intensiva kortpulsade laserfält lyckades forskare vid Max Born Institute visa att de rådande och till synes disparata intuitiva bilderna som vanligtvis används för att beskriva interaktion mellan atomer och intensiva laserfält kan tillskrivas en enda olinjär process. Dessutom, de visar hur de två bilderna kan förenas. Arbetet dök upp i tidningen Fysiska granskningsbrev och har valts ut som ett redaktörers förslag för dess särskilda betydelse, innovation och bred dragningskraft. Förutom de grundläggande aspekterna öppnar arbetet nya vägar för att bestämma laserintensiteter med hög precision och för att styra den sammanhängande Rydbergpopulationen med laserintensiteten.

Även om Keldysh -parametern introducerad på 1960 -talet av den ryska fysikern med samma namn, tydligt skiljer multiphotonbilden och tunnelbilden, det har förblivit en öppen fråga, särskilt när det gäller stark fältexcitation, hur man förenar de två till synes motsatta tillvägagångssätten.

I multifotonbilden lyser fotonkaraktären igenom som resonansförbättring i excitationsutbytet närhelst en heltalsmultipel av fotonenergin matchar excitationsenergin för atomtillstånd. Dock, atomtillståndens energi förskjuts uppåt med ökande laserintensitet. Detta resulterar i resonansliknande förbättringar av excitationsutbytet, även vid fast laserfrekvens (fotonenergi). Faktiskt, förbättringen sker regelbundet, när energiförskjutningen motsvarar ytterligare fotonenergi (kanalslutning).

I tunnelbilden betraktas laserfältet som en elektromagnetisk våg, där endast det oscillerande elektriska fältet behålls. Excitation kan ses som en process, där initialt den bundna elektronen frigörs genom en tunnelprocess, när laserfältet når ett maximalt antal cykler. I många fall får elektronen inte tillräckligt med drivenergi från laserfältet för att undkomma Coulomb -potentialen för moderjonen vid slutet av laserpulsen, vilket skulle leda till jonisering av atomen. Istället, den förblir bunden i ett upprymt Rydbergstillstånd. I tunnelbilden finns det inget utrymme för resonanser i excitationen eftersom tunneln fortsätter i ett kvasi-statiskt elektriskt fält, där laserfrekvensen är irrelevant.

I studien har excitationsutbytet för Ar- och Ne -atomer som en funktion av laserintensiteten mätts direkt för första gången, täcker både multifoton- och tunnlingsregimen. I multiphotonregimen har uttalade resonansförbättringar i avkastningen observerats, särskilt i närheten av kanalstängningarna, medan det inte uppstod sådana resonanser i tunnelregimen. Dock, här har excitation observerats även i en intensitetsregim som ligger över tröskeln för förväntad fullständig jonisering.

Den numeriska lösningen för den tidsberoende Schrödinger -ekvationen för de undersökta atomerna i ett starkt laserfält gav utmärkt överensstämmelse mellan teorin och experimentella data i båda regimer. En mer detaljerad analys avslöjade att båda bilderna representerar en kompletterande beskrivning av tidens och frekvensområdet för samma olinjära process. Om man överväger excitation i tidsdomänen kan man anta att elektronvågpaket skapas regelbundet vid maxcykeln för fältcykeln. I multiphotonregimen kan det visas att vågpaketen skapas övervägande nära pulsens maximala intensitet och stör sålunda konstruktivt endast om intensiteten är nära en kanalslutning. Med detta, regelbunden förbättring av excitationsspektrumet resulterar effektivt endast vid fotonens energiseparation. I tunnlingsregimen skapas vågpaketen också periodiskt vid fältcykelmaxima, dock, främst vid laserpulsens stigande kant som, i tur och ordning, leder till ett oregelbundet interferensmönster och följaktligen, till oregelbundna variationer i excitationsspektrumet. Dessa snabba variationer löses inte i experimentet och det detekterade excitationsspektrumet är smidigt.