Stochastic Modeling of X-Ray Superfluorescence

Abstract

This dissertation presents a derivation and comprehensive study on the stochastic modeling of X-ray superfluorescence, a phenomenon in which spontaneous emission from atomic systems is amplified, producing coherent X-ray pulses. The research explores theoretical models and stochastic methods that capture the complex quantum processes involved. Notable contributions include addressing divergence issues within stochastic simulations. Two methodologies, stochastic gauging and Hermitian methodology, are introduced to stabilize and ensure the accuracy of stochastic simulations, providing practical tools for modeling compact and pencil-shaped X-ray emitting media. The work concludes with applications to X-ray superfluorescence, phase-stable hard X-ray pulse pairs, and attosecond pulse generation, advancing the understanding and potential applications of superfluorescent X-ray sources in spectroscopy and beyond.

Diese Dissertation präsentiert die Herleitung und eine umfassende Untersuchung zur stochastischen Modellierung der Röntgen-Superfluoreszenz – einem Phänomen, bei dem spontane Emission aus atomaren Systemen verstärkt wird und kohärente Röntgenpulse erzeugt werden. Die Arbeit untersucht theoretische Modelle und stochastische Methoden, die die komplexen Quantenprozesse erfassen. Zu den wesentlichen Beiträgen zählt die Behandlung von Divergenzproblemen innerhalb stochastischer Simulationen. Zwei Methoden – die stochastische Eichtransformation und die hermitesche Methodik – werden eingeführt, um die Simulationen zu stabilisieren und ihre Genauigkeit sicherzustellen. Sie bieten praktische Werkzeuge zur Modellierung kompakter und quasi eindimensionaler Röntgenstrahlquellen. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion von Anwendungen der Röntgen-Superfluoreszenz, der Generierung phasenstabiler Röntgenpulspaare und Attosekundenpulse, und erweitert so das Verständnis und die möglichen Anwendungen superfluoreszenter Röntgenquellen in der Spektroskopie und darüber hinaus.