Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В соответствии с тематикой проекта и планом, представленным в заявке, работа над проектом в 2024 году проходила по двум направлениям: поиск и изучение новых киральных и новых квантовых эффектов в аттосекундной физике. По этим направлениям были опубликованы две статьи [1,2]. В качестве основного экспериментального метода наблюдения киральных эффектов в аттосекундной физике, на который ориентируется наш теоретический поиск, в рамках данного проекта был выбран метод спектроскопии перерассеянных фотоэлектронов. Действительно, закрученный фотоэлектрон, возвращающийся к материнскому молекулярному иону, представляет собой киральный зонд. Перерассеяние таких фотоэлектронов на ионе киральной молекулы является энантиочувствительным процессом, что, как мы ожидаем, и приводит к возможности наблюдения киральных эффектов в распределении фотоэлектронов по импульсу. Для осуществления такого сценария зондирования молекулярной киральности необходимо наличие закрученных фотоэлектронов, испытывающих перерассеяние. Поскольку в адиабатическом режиме ионизации, характерном для низкочастотных лазерных полей, используемых в аттосекундной физике (длина волны ~ 800 нм), ионизация происходит туннельным образом, необходимо было выяснить, насколько эффективно генерируются закрученные фотоэлектроны в результате туннельной ионизации в лазерном поле. Эта задача была исчерпывающе исследована в нашей работе [1]. Было показано, что туннельная ионизация молекул приводит к очень эффективной генерации закрученных фотоэлектронов, имеющих ненулевую проекцию углового момента на направление ионизующего поля, и доля таких закрученных фотоэлектронов быстро растет с ростом размера молекулы и интенсивности поля. В частности, рост доли закрученных фотоэлектронов с ростом размера молекулы, продемонстрированый в [1] расчетами для молекул воды, бензола и лейцина, гарантирует наличие достаточного количества закрученных фотоэлектронов при ионизации многоатомных киральных молекул, которые обычно имеют большие линейные размеры. Эти результаты подтверждают наши ожидания и закладывают фундамент предлагаемому в рамках данного проекта новому подходу к зондированию молекулярной киральности, основанному на методе спектроскопии перерассеянных фотоэлектронов. Дальнейшее развитие теории этого подхода будет строится на основе результатов работы [1]. В рамках поиска новых квантовых эффектов в аттосекундной физике в работе [2] было рассмотрено влияние взаимодействия квантованного электромагнитного поля со свободными электронами, образующимися при ионизации газа этим полем, на состояние самого поля. Была разработана точно решаемая теоретическая модель, описывающая взаимодействие электронов с полем. Было показано, что учет этого взаимодействия сильно влияет на квантовое состояние поля. Были найдены точные собственные состояния системы "электроны + поле", которые даются прямым произведением состояний электронов с заданным импульсом и сжатых смещенных состояний электромагнитного поля. Было получено точное решение нестационарного уравнения Шредингера, описывающего эволюцию начально когерентного состояния поля с полным учетом его взаимодействия с электронами. Было показано, что в реалистичных экспериментальных условиях такое состояние поля может привести к образованию неклассической статистике фотоосчётов при фотодетектировании поля и негауссовой функции Вигнера, имеющей форму кольца. Полученные результаты показывают, что влияние взаимодействия сильного поля со свободными электронами на квантовое состояние поля следует учитывать одновременно с эффектами, производимыми генерацией гармоник и надпороговой ионизацией. Полученные результаты важны для квантовой теории информации. Сжатые состояния сильного лазерного поля могут найти применение в квантовых вычислениях с континуальными переменными как часть универсального квантового вентиля для выполнения квантовых вычислений с плавающей запятой. В то же время негауссовы состояния поля с кольцевой функцией Вигнера, измеряемой с помощью гомодинного детектирования, могут служить элементом для достижения преимуществ квантовых вычислений с континуальными переменными. Точно решаемая модель, развитая в рамках первого года выполнения проекта, может быть обобщена на случай нескольких мод электромагнитного поля. В дальнейшем предполагается исследовать квантовые свойства нескольких мод, взаимодействующих со свободными электронами. [1] K.V. Bazarov and O.I. Tolstikhin, Generation of vortex electrons in tunneling ionization of polyatomic molecules: Exact results in the zero-range potential model, Phys. Rev. A 110, 033107 (2024). https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.110.033107 [2] E.S. Andrianov and O.I. Tolstikhin, Formation of nonclassical and non-Gaussian states of a strong electromagnetic field due to its interaction with free electrons produced by ionization of a target gas, Phys. Rev. A 110, 023115 (2024). https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.110.023115

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В соответствии с тематикой проекта и планом, представленным в заявке, работа над проектом в 2025 году проходила по двум направлениям: поиск и изучение новых киральных и новых квантовых эффектов в аттосекундной физике. По этим направлениям были опубликованы две статьи [1,2]. 1) Развита теория нового фундаментального процесса – фотоэффекта с образованием закрученных фотоэлектронов [1]. В отличие от стандартной задачи, где фотоэлектрон рассматритвается как плоская волна с определённым импульсом, мы предложили рассматривать его как вихревой волновой пакет с определённой проекцией углового момента. Это позволило предсказать существование целого класса новых измеримых величин - вихревых сечений фотоионизации, которые не сводятся к традиционным плосковолновым сечениям фотоионизации. 2) На основе развитой в работе [1] теории предсказаны новые киральные эффекты. Мы теоретически показали, что киральность самого закрученного фотоэлектрона может служить новым инструментом для детектирования киральности молекул. Эти эффекты, в отличие от известного фотоэлектронного кругового дихроизма, могут наблюдаться в более широком диапазоне условий, в том числе при использовании линейно поляризованного света. Результаты работы открывают новые направления исследований в физике взаимодействия атомов и молекул с излучением и в науке о киральности. Они предлагают альтернативные, принципиально новые способы изучения и различения энантиомеров – молекул-«зеркальных близнецов», что имеет фундаментальное значение для химии, биологии и фармакологии. 3) В работе [2] была рассмотрена система, состоящая из свободных электронов, взаимодействующих с многомодовым квантованным электромагнитным полем. Был рассмотрен случай циркулярно поляризованного сильного лазерного поля. Показано, что число фотонов в сильной моде уменьшаятеся из-за взаимодействия с электронами, причем это уменьшение равно суммарному увеличению числа фотонов во всех слабых модах, т.е. имеет место баланс чисел фотонов между сильной и слабыми модами. Установлено, что эволюция поля описывается чистым когерентным состоянием, амплитуда которого смещена относительно исходной амплитуды лазерного поля. 4) Нами была предложена [2] схема условного измерения (conditioning measurement) на томсоновское рассеяние, в которой сильное лазерное поле, прошедшее через среду свободных электронов, сначала ослабляется, и затем измеряется его функция Вигнера в том случае, если задетектирован по крайней мере один фотон томсоновского рассеяния. Показано, что при таком условном измерении лазерная мода оказывается в состоянии кота Шредингера. Была рассмотрена мера неклассичности состояния, равная интегралу от функции Вигнера по области, где она отрицательна. Также было рассмотрено среднее число фотонов в состоянии кота Шредингера. Показано, что существуют такие значения параметров, при которых функция Вигнера имеет отрицательные значения, а число фотонов ~ 3, т.е. реализуется неклассическое состояние поля с большим числом фотонов. 5) Рассмотрено взаимодействие между двумя сильными модами произвольной поляризации, взаимодействующими со свободными электронами. Показано, что такое взаимодействие может приводить к некласссической статистике и нарушению неравенства Коши-Шварца при определённых параметрах. Наиболее сильное нарушение проявляется в том случае, когда обе поляризации поля являются циркулярными. [1] K.V. Bazarov and O.I. Tolstikhin, Theory of the photoeffect with vortex photoelectrons, Phys. Rev. A 112, 033111 (2025). [2] E.S. Andrianov and O.I. Tolstikhin, Formation of a Schrödinger cat state of a strong circularly polarized laser field due to Thomson scattering by free electrons, Phys. Rev. A 112, 013117 (2025).