En ny knap til at styre og skabe højere harmoniske i faste stoffer

Forskere ved MPSD og CFEL har demonstreret muligheden for at bruge en ny knap til at styre og optimere genereringen af ​​højordens harmoniske i bulkmaterialer, en af ​​de vigtigste fysiske processer til generering af højenergifotoner og til ultrahurtig manipulation af information.

Generering af højordens harmoniske i gasser bruges i dag rutinemæssigt i mange forskellige videnskabsområder, lige fra fysik, til kemi og biologi. Dette stærke felt fænomen består i at konvertere mange lavenergifotoner, der kommer fra en meget stærk laser, til færre fotoner med en højere energi. På trods af den stigende interesse for dette fænomen i faste stoffer, mekanismen bag omdannelsen af ​​lys er stadig under debat for faste materialer.

Forskere fra MPSD (Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter) og CFEL (Center for Free-Electron Laser Science) i Hamborg brugte state-of-the-art teoretiske simuleringsværktøjer til at fremme den grundlæggende forståelse af dette fænomen i faste stoffer . Deres arbejde er publiceret i Nature Communications.

Når atomer og molekyler interagerer med stærke laserimpulser, de udsender højordens harmoniske af det fundamentale drivende laserfelt. Den højharmoniske generation (HHG) i gasser bruges i dag regelmæssigt til at producere isolerede attosekundpulser og sammenhængende stråling, der spænder fra synlige til bløde røntgenstråler. På grund af en højere elektronisk tæthed, faste stoffer er en lovende vej mod kompakt, lysere HHG-kilder. Imidlertid, deres anvendelse er i øjeblikket hæmmet af manglen på en mikroskopisk forståelse af mekanismen, der fører til HHG fra faste stoffer.

Forskere ved MPSD og CFEL har nu vist, at ved at bruge elliptisk polariseret kørelys, det er muligt at optrevle det komplekse samspil mellem de to mekanismer, der er ansvarlige for HHG i faste stoffer. Ved hjælp af omfattende førsteprincips-simuleringer har de vist, hvordan disse to mekanismer er stærkt og forskelligt påvirket af ellipticiteten af ​​det drivende laserfelt.

Det komplekse samspil mellem disse effekter kan bruges til at tune og forbedre harmonisk emission i faste stoffer. I særdeleshed, de har vist, at den maksimalt opnåede fotonenergi kan øges med så meget som 30% ved brug af en endelig elliptiskhed af det drivende laserfelt.

De demonstrerede også muligheden for at generere cirkulært polariserede harmoniske med vekslende helicitet fra et enkelt cirkulært polariseret drivfelt, dermed åbner en ny vej for en bedre forståelse og kontrol af HHG i faste stoffer baseret på ellipticitet, med spændende nye muligheder inden for spektroskopi af magnetiske materialer. Deres arbejde viser, at ellipticitet giver en ekstra knap til eksperimentelt at kontrollere højordens harmonisk generering i faste stoffer.