La idea de que la luz a veces debe tratarse como una onda electromagnética y, a veces, como una corriente de cuantos de energía llamados fotones es tan antigua como la física cuántica. En el caso de la interacción de campos láser fuertes con átomos, el dualismo encuentra su análogo en las imágenes intuitivas utilizadas para explicar la ionización y la excitación:la imagen multifotónica y la imagen de efecto túnel. En un estudio teórico y experimental combinado sobre la excitación ultrarrápida de átomos en campos de láser de pulso corto intenso, los científicos del Instituto Max Born lograron demostrar que las imágenes intuitivas predominantes y aparentemente dispares que se usan generalmente para describir la interacción de átomos con campos de láser intensos pueden atribuirse a un solo proceso no lineal. Es más, muestran cómo se pueden unir las dos imágenes. El trabajo apareció en la revista. Cartas de revisión física y ha sido elegido para ser una sugerencia de los editores por su particular importancia, innovación y amplio atractivo. Además de los aspectos fundamentales, el trabajo abre nuevas vías para determinar las intensidades del láser con alta precisión y para controlar la población de Rydberg coherente por la intensidad del láser.

Aunque el parámetro de Keldysh, introducido en la década de 1960 por el físico ruso epónimo, distingue claramente la imagen multifotónica y la imagen de túnel, ha quedado una pregunta abierta, particularmente en el campo de la excitación de campo fuerte, cómo reconciliar los dos enfoques aparentemente opuestos.

En la imagen multifotónica, el carácter del fotón brilla como una mejora resonante en el rendimiento de excitación siempre que un múltiplo entero de la energía del fotón coincide con la energía de excitación de los estados atómicos. Sin embargo, la energía de los estados atómicos se desplaza hacia arriba con el aumento de la intensidad del láser. Esto da como resultado mejoras de tipo resonante en el rendimiento de excitación, incluso a una frecuencia láser fija (energía fotónica). De hecho, la mejora se produce periódicamente, siempre que el cambio de energía corresponda a una energía fotónica adicional (cierre del canal).

En la imagen de tunelización, el campo láser se considera una onda electromagnética, donde solo se retiene el campo eléctrico oscilante. La excitación puede verse como un proceso, donde inicialmente el electrón ligado es liberado por un proceso de tunelización, cuando el campo láser alcanza un ciclo máximo. En muchos casos, el electrón no gana suficiente energía de deriva del campo láser para escapar del potencial de Coulomb del ion original al final del pulso láser, lo que conduciría a la ionización del átomo. En lugar de, permanece atado en un estado excitado de Rydberg. En la imagen de tunelización no hay espacio para resonancias en la excitación ya que la tunelización procede en un campo eléctrico cuasi-estático, donde la frecuencia del láser es irrelevante.

En el estudio se midió directamente por primera vez el rendimiento de excitación de los átomos de Ar y Ne en función de la intensidad del láser, cubriendo los regímenes multifotónicos y de túneles. En el régimen multifotónico se han observado mejoras de resonancia pronunciadas en el rendimiento, particularmente en las proximidades de los cierres de canales, mientras que en el régimen de túneles no aparecieron tales resonancias. Sin embargo, aquí se ha observado excitación incluso en un régimen de intensidad que se encuentra por encima del umbral para la ionización completa esperada.

La solución numérica de la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo para los átomos investigados en un campo láser fuerte proporcionó una excelente concordancia de la teoría con los datos experimentales en ambos regímenes. Un análisis más detallado reveló que ambas imágenes representan una descripción complementaria en el dominio del tiempo y la frecuencia del mismo proceso no lineal. Si se considera la excitación en el dominio del tiempo, se puede suponer que los paquetes de ondas de electrones se crean periódicamente en los máximos del ciclo de campo. En el régimen multifotónico, se puede demostrar que los paquetes de ondas se crean predominantemente cerca de la intensidad máxima del pulso y, por lo tanto, interfieren constructivamente solo si la intensidad está cerca del cierre de un canal. Con este, la mejora regular en el espectro de excitación resulta eficazmente sólo en la separación de la energía de los fotones. En el régimen de tunelización, los paquetes de ondas también se crean periódicamente en los máximos del ciclo de campo, sin embargo, predominantemente en el borde ascendente del pulso láser que, Sucesivamente, conduce a un patrón de interferencia irregular y, en consecuencia, a variaciones irregulares en el espectro de excitación. Estas rápidas variaciones no se resuelven en el experimento y el espectro de excitación detectado es suave.