L'idée que la lumière doit parfois être traitée comme une onde électromagnétique et parfois comme un flux de quanta d'énergie appelés photons est aussi ancienne que la physique quantique. Dans le cas de l'interaction de champs laser intenses avec des atomes, le dualisme trouve son analogue dans les images intuitives utilisées pour expliquer l'ionisation et l'excitation :l'image multiphotonique et l'image tunnel. Dans une étude expérimentale et théorique combinée sur l'excitation ultrarapide d'atomes dans des champs laser intenses à impulsions courtes, les scientifiques de l'Institut Max Born ont réussi à montrer que les images intuitives dominantes et apparemment disparates habituellement utilisées pour décrire l'interaction des atomes avec des champs laser intenses peuvent être attribuées à un seul processus non linéaire. De plus, ils montrent comment les deux images peuvent être unies. L'ouvrage est paru dans la revue Lettres d'examen physique et a été choisi pour être une suggestion des éditeurs pour son importance particulière, innovation et large attrait. Outre les aspects fondamentaux, le travail ouvre de nouvelles voies pour déterminer les intensités laser avec une grande précision et pour contrôler la population cohérente de Rydberg par l'intensité laser.

Bien que le paramètre Keldysh, introduit dans les années 1960 par le physicien russe éponyme, distingue clairement l'image multiphotonique et l'image tunnel, c'est resté une question ouverte, en particulier dans le domaine des fortes excitations de champ, comment concilier les deux approches apparemment opposées.

Dans l'image multiphotonique, le caractère photonique apparaît comme une amélioration résonnante du rendement d'excitation chaque fois qu'un multiple entier de l'énergie photonique correspond à l'énergie d'excitation des états atomiques. Cependant, l'énergie des états atomiques est déplacée vers le haut avec l'augmentation de l'intensité laser. Cela se traduit par des améliorations de type résonant dans le rendement d'excitation, même à fréquence laser fixe (énergie photonique). En réalité, l'amélioration se produit périodiquement, chaque fois que le décalage énergétique correspond à une énergie photonique supplémentaire (fermeture du canal).

Dans l'image tunnel, le champ laser est considéré comme une onde électromagnétique, où seul le champ électrique oscillant est conservé. L'excitation peut être considérée comme un processus, où initialement l'électron lié est libéré par un processus tunnel, lorsque le champ laser atteint un cycle maximum. Dans de nombreux cas, l'électron ne gagne pas suffisamment d'énergie de dérive du champ laser pour échapper au potentiel de Coulomb de l'ion parent à la fin de l'impulsion laser, ce qui conduirait à l'ionisation de l'atome. Au lieu, il reste lié dans un état de Rydberg excité. Dans l'image d'effet tunnel, il n'y a pas de place pour les résonances dans l'excitation puisque l'effet tunnel se déroule dans un champ électrique quasi-statique, où la fréquence laser n'a pas d'importance.

Dans l'étude, le rendement d'excitation des atomes Ar et Ne en fonction de l'intensité du laser a été directement mesuré pour la première fois, couvrant à la fois les régimes multiphotonique et tunnel. Dans le régime multiphotonique, des améliorations résonantes prononcées du rendement ont été observées, notamment au voisinage des fermetures de canaux, tandis que dans le régime du tunnel aucune résonance de ce type n'est apparue. Cependant, ici, une excitation a été observée même dans un régime d'intensité qui se situe au-dessus du seuil d'ionisation complète attendue.

La solution numérique de l'équation de Schrödinger dépendante du temps pour les atomes étudiés dans un champ laser intense a fourni un excellent accord de la théorie avec les données expérimentales dans les deux régimes. Une analyse plus détaillée a révélé que les deux images représentent une description complémentaire dans le domaine temporel et fréquentiel du même processus non linéaire. Si l'on considère l'excitation dans le domaine temporel, on peut supposer que des paquets d'ondes électroniques sont créés périodiquement aux maxima du cycle de champ. Dans le régime multiphotonique, il peut être montré que les paquets d'ondes sont créés principalement à proximité de l'intensité maximale de l'impulsion et n'interfèrent donc de manière constructive que si l'intensité est proche d'une fermeture de canal. Avec ça, une augmentation régulière du spectre d'excitation n'est efficace qu'à la séparation d'énergie des photons. Dans le régime tunnel, les paquets d'ondes sont également créés périodiquement aux maxima du cycle de champ, cependant, principalement au front montant de l'impulsion laser qui, à son tour, conduit à une figure d'interférence irrégulière et, par conséquent, aux variations irrégulières du spectre d'excitation. Ces variations rapides ne sont pas résolues dans l'expérience et le spectre d'excitation détecté est lisse.