We present a general methodology for evaluating structure factors defining the orientation dependence of tunneling ionization rates of molecules, which is a key process in strong-field physics. The method is implemented at the Hartree-Fock level of electronic structure theory and is based on an integral-equation approach to the weak-field asymptotic theory of tunneling ionization, which expresses the structure factor in terms of an integral involving the ionizing orbital and a known analytical function. The evaluation of the required integrals is done by three-dimensional quadrature which allows calculations using conventional quantum chemistry software packages. This extends the applications of the weak-field asymptotic theory to polyatomic molecules of almost arbitrary size. The method is tested by comparison with previous results and illustrated by calculating structure factors for the two degenerate highest occupied molecular orbitals (HOMOs) of benzene and for the HOMO and HOMO-1 of naphthalene.

1.
O. I.
Tolstikhin
and
T.
Morishita
,
Phys. Rev. A
86
,
043417
(
2012
).
2.
B.
Wolter
,
M. G.
Pullen
,
M.
Baudisch
,
M.
Sclafani
,
M.
Hemmer
,
A.
Senftleben
,
C. D.
Schröter
,
J.
Ullrich
,
R.
Moshammer
, and
J.
Biegert
,
Phys. Rev. X
5
,
021034
(
2015
).
3.
H. B.
van Linden van den Heuvell
and
H. G.
Muller
, in
Multiphoton Processes
, edited by
S. J.
Smith
and
P. L.
Knight
(
Cambridge University
,
Cambridge
,
1988
).
4.
T. F.
Gallagher
,
Phys. Rev. Lett.
61
,
2304
(
1988
).
5.
P. B.
Corkum
,
N. H.
Burnett
, and
F.
Brunel
,
Phys. Rev. Lett.
62
,
1259
(
1989
).
6.
K. C.
Kulander
,
K. J.
Schafer
, and
J. L.
Krause
, in
Super-Intense Laser-Atom Physics
, edited by
B.
Pireaux
,
A.
L’Hullier
, and
K.
Rzazewski
(
Plenum
,
New York
,
1993
).
7.
8.
N. I.
Shvetsov-Shilovski
,
M.
Lein
,
L. B.
Madsen
,
E.
Räsänen
,
C.
Lemell
,
J.
Burgdörfer
,
D. G.
Arbó
, and
K.
Tőkési
,
Phys. Rev. A
94
,
013415
(
2016
).
9.
P. M.
Kraus
,
O. I.
Tolstikhin
,
D.
Baykusheva
,
A.
Rupenyan
,
J.
Schneider
,
C. Z.
Bisgaard
,
T.
Morishita
,
F.
Jensen
,
L. B.
Madsen
, and
H. J.
Wörner
,
Nat. Commun.
6
,
7039
(
2015
).
10.
P.
Kraus
,
B.
Mignolet
,
D.
Baykusheva
,
A.
Rupenyan
,
L.
Horný
,
E.
Penka
,
G.
Grassi
,
O.
Tolstikhin
,
J.
Schneider
,
F.
Jensen
,
L. B.
Madsen
,
A.
Bandrauk
,
F.
Remacle
, and
H.
Wörner
,
Science
350
,
790
(
2015
).
11.
M.
Lein
,
J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
40
,
R135
(
2007
).
12.
O.
Smirnova
,
Y.
Mairesse
,
S.
Patchkovskii
,
N.
Dudovich
,
D.
Villeneuve
,
P.
Corkum
, and
M. Yu.
Ivanov
,
Nature
460
,
972
977
(
2009
).
13.
Y.
Mairesse
,
J.
Higuet
,
N.
Dudovich
,
D.
Shafir
,
B.
Fabre
,
E.
Mevel
,
E.
Constant
,
S.
Patchkovskii
,
Z.
Walters
,
M. Yu.
Ivanov
, and
O.
Smirnova
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
213601
(
2010
).
14.
A. D.
Shiner
,
B. E.
Schmidt
,
C.
Trallero-Herrero
,
H. J.
Worner
,
S.
Patchkovskii
,
P. B.
Corkum
,
J.-C.
Kieffer
,
F.
Legare
, and
D. M.
Villeneuve
,
Nat. Phys.
7
,
464
467
(
2011
).
15.
T.
Zuo
,
A. D.
Bandrauk
, and
P. B.
Corkum
,
Chem. Phys. Lett.
259
,
313
320
(
1996
).
16.
M.
Lein
,
J. P.
Marangos
, and
P. L.
Knight
,
Phys. Rev. A
66
,
051404
(
2002
).
17.
M.
Meckel
,
D.
Comtois
,
D.
Zeidler
,
A.
Staudte
,
D.
Pavicic
,
H. C.
Bandulet
,
H.
Pepin
,
J. C.
Kieffer
,
R.
Dorner
,
D. M.
Villeneuve
, and
P. B.
Corkum
,
Science
320
,
1478
(
2008
).
18.
M. G.
Pullen
,
B.
Wolter
,
A. T.
Le
,
M.
Baudisch
,
M.
Hemmer
,
A.
Senftleben
,
C. D.
Schroter
,
J.
Ullrich
,
R.
Moshammer
,
C. D.
Lin
, and
J.
Biegert
,
Nat. Commun.
6
,
7262
(
2015
).
19.
C.
Blaga
,
J.
Xu
,
A.
DiChiara
,
E.
Sistrunk
,
K.
Zhang
,
P.
Agostini
,
T.
Miller
,
L.
DiMauro
, and
C. D.
Lin
,
Nature
483
,
194
(
2012
).
20.
B.
Wolter
,
M.
Pullen
,
A.
Le
,
M.
Baudisch
,
K.
Doblhoff-Dier
,
A.
Senftleben
,
M.
Hemmer
,
C. D.
Schröter
,
J.
Ullrich
,
T.
Pfeifer
,
R.
Moshammer
,
S.
Gräfe
,
O.
Vendrell
,
C. D.
Lin
, and
J.
Biegert
,
Science
354
,
308
(
2016
).
21.
Y.
Huismans
,
A.
Rouzée
,
A.
Gijsbertsen
,
J. H.
Jungmann
,
A. S.
Smolkowska
,
P. S. W. M.
Logman
,
F.
Lépine
,
C.
Cauchy
,
S.
Zamith
,
T.
Marchenko
 et al.,
Science
331
,
61
(
2011
).
22.
D. D.
Hickstein
,
P.
Ranitovic
,
S.
Witte
,
X. M.
Tong
,
Y.
Huismans
,
P.
Arpin
,
X.
Zhou
,
K. E.
Keister
,
C. W.
Hogle
,
B.
Zhang
,
C.
Ding
,
P.
Johnsson
,
N.
Toshima
,
M. J. J.
Vrakking
,
M. M.
Murnane
, and
H. C.
Kapteyn
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
073004
(
2012
).
23.
M.
Meckel
,
A.
Staudte
,
S.
Patchkovskii
,
D.
Villeneuve
,
P.
Corkum
,
R.
Dörner
, and
M.
Spanner
,
Nat. Phys.
10
,
594
(
2014
).
24.
Y.
Zhou
,
O. I.
Tolstikhin
, and
T.
Morishita
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
173001
(
2016
).
25.
Y.
Huismans
,
A.
Gijsbertsen
,
A. S.
Smolkowska
,
J. H.
Jungmann
,
A.
Rouzee
,
P. S. W. M.
Logman
,
F.
Lepine
,
C.
Cauchy
,
S.
Zamith
,
T.
Marchenko
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
109
,
013002
(
2012
).
26.
T.
Marchenko
,
Y.
Huismans
,
K. J.
Schafer
, and
M. J. J.
Vrakking
,
Phys. Rev. A
84
,
053427
(
2011
).
27.
M.
Haertelt
,
X.-B.
Bian
,
M.
Spanner
,
A.
Staudte
, and
P. B.
Corkum
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
133001
(
2016
).
28.
S. G.
Walt
,
N.
Bhargava Ram
,
M.
Atala
,
N. I.
Shvestov-Shilovski
,
A.
von Conta
,
D.
Baykusheva
,
M.
Lein
, and
H. J.
Worner
,
Nat. Commun.
8
,
15651
(
2017
).
29.
T.
Endo
,
A.
Matsuda
,
M.
Fushitani
,
T.
Yasuike
,
O. I.
Tolstikhin
,
T.
Morishita
, and
A.
Hishikawa
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
163002
(
2016
).
30.
D.
Dimitrovski
,
J.
Maurer
,
H.
Stapelfeldt
, and
L. B.
Madsen
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
103005
(
2014
).
31.
D.
Dimitrovski
,
J.
Maurer
,
H.
Stapelfeldt
, and
L. B.
Madsen
,
J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
48
,
245601
(
2015
).
32.
R.
Cireasa
,
A. E.
Boguslavskiy
,
B.
Pons
,
M. C. H.
Wong
,
D.
Descamps
,
S.
Petit
,
H.
Ruf
,
N.
Thiré
,
A.
Ferré
,
J.
Suarez
,
J.
Higuet
,
B. E.
Schmidt
,
A. F.
Alharbi
,
F.
Légaré
,
V.
Blanchet
,
B.
Fabre
,
S.
Patchkovskii
,
O.
Smirnova
,
Y.
Mairesse
, and
V. R.
Bhardwaj
,
Nat. Phys.
11
,
654
(
2015
).
33.
D. R.
Austin
,
F.
McGrath
,
L.
Miseikis
,
D.
Wood
,
P.
Hawkins
,
A. S.
Johnson
,
M.
Vacher
,
Z.
Mašín
,
A.
Harvey
,
M.
Ivanov
,
O.
Smirnova
, and
J. P.
Marangos
,
Faraday Discuss.
194
,
349
(
2016
).
34.
O. I.
Tolstikhin
,
T.
Morishita
, and
L. B.
Madsen
,
Phys. Rev. A
84
,
053423
(
2011
).
35.
L. B.
Madsen
,
O. I.
Tolstikhin
, and
T.
Morishita
,
Phys. Rev. A
85
,
053404
(
2012
).
36.
L. B.
Madsen
,
F.
Jensen
,
O. I.
Tolstikhin
, and
T.
Morishita
,
Phys. Rev. A
87
,
013406
(
2013
).
37.
L. B.
Madsen
,
F.
Jensen
,
O. I.
Tolstikhin
, and
T.
Morishita
,
Phys. Rev. A
89
,
033412
(
2014
).
38.
R.
Saito
,
O. I.
Tolstikhin
,
L. B.
Madsen
, and
T.
Morishita
,
At. Data Nucl. Data Tables
103-104
,
4
(
2015
).
39.
I. Yu.
Tolstikhina
,
T.
Morishita
, and
O. I.
Tolstikhin
,
Phys. Rev. A
90
,
053413
(
2014
). Table I of this paper contains misprints. The values of gN and g for Ne given in that table should be multiplied by 3. The correct values are gN = 2.406 and g = 3.324.
40.
C.
Wang
,
M.
Okunishi
,
R. R.
Lucchese
,
T.
Morishita
,
O. I.
Tolstikhin
,
L. B.
Madsen
,
K.
Shimada
,
D.
Ding
, and
K.
Ueda
,
J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
45
,
131001
(
2012
).
41.
H.
Ohmura
,
N.
Saito
, and
T.
Morishita
,
Phys. Rev. A
89
,
013405
(
2014
).
42.
S. G.
Walt
,
N. B.
Ram
,
A.
von Conta
,
O. I.
Tolstikhin
,
L. B.
Madsen
,
F.
Jensen
, and
H. J.
Wörner
,
J. Phys. Chem. A
119
,
11772
(
2015
).
43.
Y.
Ito
,
M.
Okunishi
,
T.
Morishita
,
O. I.
Tolstikhin
, and
K.
Ueda
,
Phys. Rev. A
97
,
053411
(
2018
).
44.
P.
Wustelt
,
F.
Oppermann
,
L.
Yue
,
M.
Möller
,
T.
Stöhlker
,
M.
Lein
,
S.
Gräfe
,
G. G.
Paulus
, and
A. M.
Sayler
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
073203
(
2018
).
45.
L.
Yue
,
P.
Wustelt
,
A. M.
Sayler
,
F.
Oppermann
,
M.
Lein
,
G. G.
Paulus
, and
S.
Gräfe
,
Phys. Rev. A
98
,
043418
(
2018
).
46.
A. I.
Dnestryan
and
O. I.
Tolstikhin
,
Phys. Rev. A
93
,
033412
(
2016
).
47.
L. B.
Madsen
,
F.
Jensen
,
A. I.
Dnestryan
, and
O. I.
Tolstikhin
,
Phys. Rev. A
96
,
013423
(
2017
).
48.
D. A.
Varshalovich
,
A. N.
Moskalev
, and
V. K.
Khersonskii
,
Quantum Theory of Angular Momentum
(
World Scientific
,
Singapore
,
1988
).
49.
Handbook of Mathematical Functions
, edited by
M.
Abramowitz
and
I. A.
Stegun
(
Dover
,
New York
,
1972
).
50.
T.
Helgaker
,
P.
Jørgensen
, and
J.
Olsen
,
Molecular Electronic-Structure Theory
(
Wiley
,
Chichester
,
2000
).
51.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
88
,
2547
(
1988
).
52.
P. M. W.
Gill
,
B. G.
Johnson
,
J. A.
Pople
, and
M. J.
Frisch
,
Chem. Phys. Lett.
197
,
499
(
1992
).
53.
B. G.
Johnson
,
P. M. W.
Gill
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
98
,
5612
(
1993
);
Erratum
101
,
9202
(
1994
).
54.
M. W.
Schmidt
 et al.,
J. Comput. Chem.
14
,
1347
(
1993
).
55.
C.
Froese Fischer
,
Comput. Phys. Commun.
43
,
355
(
1987
).
56.
J.
Kobus
,
L.
Laaksonen
, and
D.
Sundholm
,
Comput. Phys. Commun.
98
,
346
(
1996
).
57.
F.
Jensen
,
J. Chem. Phys.
115
,
9113
(
2001
);
Erratum
116
,
3502
(
2002
).
58.
F.
Jensen
,
J. Phys. Chem. A
111
,
11198
(
2007
).
59.
F.
Jensen
,
J. Chem. Phys.
136
,
114107
(
2012
).
60.
V. R.
Bhardwaj
,
D. M.
Rayner
,
D. M.
Villeneuve
, and
P. B.
Corkum
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
253003
(
2001
).
61.
T. K.
Kjeldsen
,
C. Z.
Bisgaard
,
L. B.
Madsen
, and
H.
Stapelfeldt
,
Phys. Rev. A
68
,
063407
(
2003
).
62.
T. K.
Kjeldsen
,
C. Z.
Bisgaard
,
L. B.
Madsen
, and
H.
Stapelfeldt
,
Phys. Rev. A
71
,
013418
(
2005
).
63.
A. N.
Markevitch
,
S. M.
Smith
,
D. A.
Romanov
,
H. B.
Schlegel
,
M. Yu.
Ivanov
, and
R. J.
Levis
,
Phys. Rev. A
68
,
011402(R)
(
2003
).
64.
A. N.
Markevitch
,
D. A.
Romanov
,
S. M.
Smith
,
H. B.
Schlegel
,
M. Yu.
Ivanov
, and
R. J.
Levis
,
Phys. Rev. A
69
,
013401
(
2004
).
65.
J. L.
Hansen
,
L.
Holmegaard
,
J. H.
Nielsen
,
H.
Stapelfeldt
,
D.
Dimitrovski
, and
L. B.
Madsen
,
J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
45
,
015101
(
2012
).
66.
D.
Dimitrovski
,
J.
Maurer
,
H.
Stapelfeldt
, and
L. B.
Madsen
,
J. Phys. B.: At., Mol. Opt. Phys.
48
,
121001
(
2015
).
67.
J.
Maurer
,
D.
Dimitrovski
,
L.
Christensen
,
L. B.
Madsen
, and
H.
Stapelfeldt
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
123001
(
2012
).
68.
M. D.
Hanwell
,
D. E.
Curtis
,
D. C.
Lonie
,
T.
Vandermeersch
,
E.
Zurek
, and
G. R.
Hutchison
,
J. Cheminf.
4
,
17
(
2012
).
You do not currently have access to this content.