Elektronien liikkeen havainnointi ja ohjaaminen on attosekuntitieteen keskiössä. Attosekuntiluokan elektroniprosessit ovat esimerkiksi kemiallisten reaktioiden takana, selittävät aineen optiset ominaisuudet sekä ovat pohjana useille ultranopeille nanomittaluokan kuvantamismenetelmille. Useat mielenkiintoiset attosekuntiluokan ilmiöt aiheutuvat vahvasta ulkoisesta sähkömagneettisesta kentästä. Tällaisia kenttiä saadaan femtosekuntilasersykäyksillä, joiden kenttien vahvuus on samaa suuruusluokkaa kuin atomin elektroniinsa kohdistama sähkökenttä. Voimakas sähkömagneettinen vuorovaikutus aiheuttaa atomien, molekyylien ja kiinteän aineen epälineaarisia ilmiöitä kuten korkeaenergisten fotonien tuottoa (HHG), nopeiden elektronien emissiota sekä esimerkiksi atomielektronin virittymistä korkeille sidotuille tiloille.

Edellämainitut ilmiöt ovat myös pohjana useille teknisille edistyksille: HHG:lla tuotetaan koherentteja röntgensykäyksiä, joiden kesto on vain muutamien attosekuntien suuruusluokkaa; nopeita fotoemittoituneita elektroniaaltopaketteja käytetään aineen kuvantamiseen; ja Rydberg-tiloille viritettyjä atomeita käytetään kvanttilaskennassa kubitteina.

Attosekuntiluokan ilmiöitä voidaan ohjata haluttuun suuntaan käyttämällä femtosekuntilasersykäyksiä, joiden sähkökentän aikariippuvuutta voidaan säätää. Tämä väitöskirja on laskennallinen tutkimusretki, jolla pyritään löytämään menetelmiä ennustamaan sellaisten femtosekuntilasersykäysten aikaprofiileja, joilla aiemmin mainittuja ilmiöitä – HHG:ta, elektroniemissiota sekä Rydbergtilojen virityksiä – voidaan tehostaa, optimoida. Väitöskirjan alussa esitellään työn kannalta oleelliset vahvojen kenttien attosekuntiluokan ilmiöt keskittyen etenkin niiden teoreettisiin ja laskennallisiin malleihin. Tutkielmassa annetaan myös yleiskatsaus femtosekuntisykäysten käytöstä atomifysiikan ilmiöiden ohjaamisessa ja optimoinnissa avaten sekä alan kokeellista että laskennallista puolta. Tutkimuksessamme käytetyt laskennalliset mallit käydään yksityiskohtaisesti läpi, ja väitöskirjan oheismateriaali (saatavilla internetistä) sisältää oleellisimmat työssä käytetyt ohjelmistot ja analyysityökalut.

Tutkimusten tuloksina on löydetty menetelmiä femtosekuntilasersykäysten suunnittelua varten. Näillä menetelmillä saadaan kasvatettua sekä HHG:n että korkeaenergisen elektroniemission hyötysuhdetta ja maksimienergiaa. Työssä tutkittiin myös femtosekuntilasersykäysten käyttöä alkalimetalliatomien virittämiseksi kvanttilaskentaa varten. Optimointimenetelmämme ja femtosekuntilasersykäysten käyttö vähentää viritykseen käytettävää aikaa huomattavasti perinteisiin tekniikoihin verrattuina, mutta nykyisessä muodossaan menetelmä ei ole tarpeeksi tarkka, jotta sillä voitaisiin miehittää vain yksi tietty tila.

Väitöskirjassa kehitetään myös uusi elementtimenetelmään pohjautuva laskentaohjelmisto, joka on suunniteltu nanorakenteiden attosekunti-ilmiöiden mallinnukseen. Nanorakenteet muuttavat niihin kohdistetun femtosekuntilasersykäyksen paikkariippuvuutta, mitä useimmat aiemmat mallinnusohjelmistot eivät kykene huomioimaan. Kehittämämme ohjelmisto mallintaa näitä tilanteita tehokkaasti ja ottaa huomioon femtosekuntilasersykäysten epähomogeenisen paikkariippuvuuden.

Väitöskirjan lopussa on yhteenveto löydöksistämme, joita käsitellään suhteessa muihin alan tuoreisiin tutkimuksiin. Pohdimme myös mahdollisia kehityskohteita sekä suuntaa tuleville tutkimuksille.