Undersøgelse rapporterer højharmonisk generering i et epsilon-nær-nul materiale

High-harmonic generation (HHG) er et ikke-lineært optisk fænomen, hvorigennem høje harmoniske af en intens laserstråle genereres i et målmateriale, typisk en gas. Fysikere har studeret HHG i atomare gasser i årtier, men for nylig er et team af forskere ved SLAC National Accelerator Laboratory begyndt at undersøge denne proces i faste stoffer.

En af fordelene ved at bruge solide mål er mere effektiv produktion, på grund af den høje tæthed ved interaktion. Det første eksperiment blev udført på en zinkoxidkrystal, med observation af harmoniske op til 25 ^th Ordre:% s . Siden da, HHG er med succes blevet observeret i adskillige dielektriske stoffer, inklusive en magnesiumoxid krystalkvarts.

Et af de seneste eksempler på dette stammer fra et samarbejde, der involverer et team af forskere ved Sandia National Laboratories, Tsinghua Universitet, SLAC National Accelerator Laboratory, University of New Mexico og North Carolina State University. I deres papir, udgivet i Naturfysik , de rapporterede HHG som følge af et lavt tab, indium-doteret cadmiumoxid tynd film, hvilket blev opnået ved at udnytte materialets epsilon-near-zero (ENZ) effekt.

"Historien om denne forskning sporer tilbage til vores omfattende aktiviteter i epsilon-nær-nul materialer og fænomener, "Igal Brener og Yuanmu Yang, to af forskerne, der er medforfattere til undersøgelsen, fortalte Phys.org via e-mail.

ENZ materialer, såsom filmen brugt af forskerne, er en ny klasse af materialer med en forsvindende permittivitet (dvs. lig med nul) ved en eller anden bølgelængde (dvs. frekvens). Nylige undersøgelser tyder på, at de også udviser ultrahurtige ikke-lineære effektiviteter inden for deres sub-bølgelængde-udbredelseslængder.

En af konsekvenserne af, at disse materialers permittivitet går til nul ved en forudbestemt bølgelængde er, at når ENZ-tynde film skinner under de rigtige forhold (dvs. polarisering), de optiske felter inde i disse film er væsentligt forbedret (med et forhold på 10 til 100X). Det betyder, at ethvert fænomen, der er afhængig af intensiteten af ​​disse felter, såsom optiske ikke-lineariteter, bør forbedres markant.

"Vi havde lavet nogle tidligere ikke-lineære optiske eksperimenter (dvs. harmonisk generering) i andre ENZ-materialer (ITO) og så nogle indikationer på forbedret effektivitet; det samme gjorde et par andre forskningsgrupper, " sagde Brener og Yang. "Stærkt dopet CdO (materiale dyrket af medforfatter Jon-Paul Maria) er et meget overlegent ENZ-materiale (højere elektronmobilitet, som udmønter sig i lavere optiske tab og højere optiske feltforbedringer). Derfor, vi ønskede at studere HHG i disse film."

I de seneste år, der har været en stigende interesse for at finde nye måder at producere attosekundpulser på, især i en kompakt eksperimentel opsætning, dvs. ved at erstatte de store gasrør og dyre højintensive lasersystemer, hvori disse impulser genereres i dag. I deres undersøgelse, Brener, Yang og deres kolleger satte sig for at udforske denne mulighed yderligere, ved at bruge et lavt tab, indium-doteret cadmiumoxid tynd film.

Prøven, der blev brugt i deres eksperimenter, består af en tynd (75nm) film af stærkt dopet CdO med en plasmafrekvens, der ligger ved den ækvivalente bølgelængde på ~2um, som er ENZ-bølgelængden. Denne prøve er dyrket på MgO og har et toplag af metal, der er indført for at skabe det, der er kendt som "perfekt absorption."

Forskerne belyste deres prøve med korte impulser ved 2,08um fra substratet ved skrå incidens og p-polarisering. De målte derefter de harmoniske, der blev genereret på den reflekterede optiske vej ved hjælp af standard UV-Vis spektrometre og detektorer.

"På grund af absorptionen af ​​​​substratet, i denne reflektionskonfiguration, vi var kun i stand til at måle op til den niende harmoniske; det er den korteste bølgelængde vi kunne måle, Brener og Yang forklarede. "I fremtiden, prøver uden guld-toplaget kunne prøves i transmissionsgeometrien, så dette problem kan afhjælpes.

I deres undersøgelse, forskerne observerede, at ENZ-støttede harmoniske udviste en udtalt spektral rødforskydning og en linjebreddeudvidelse. Dette var resultatet af fotoinduceret elektronopvarmning og den deraf følgende tidsafhængige ENZ-bølgelængde af det materiale, de brugte.

Attosecond videnskabssamfundet er interesseret i materialer, der udviser denne adfærd, da det potentielt kan forbedre, hvordan disse specialiserede impulser genereres. Udskiftning af den gas, der bruges i typiske systemer, med et fast materiale, såsom en tynd film af cadmiumoxid, ville give forskere mulighed for at observere nogle af de hurtigste begivenheder i naturen på en lettere, billigere og muligvis mere detaljeret måde.

Sammenlignet med observationerne indsamlet i andre eksperimenter med faststofmaterialer, de harmoniske opnået af forskerne krævede omkring to størrelsesorden mindre af pumpens optiske effekt. Derfor, det materiale og den proces, de brugte, forenkler i høj grad den hardware, der kræves til HHG og attosecond spektroskopi.

Et yderligere interessant fund af deres undersøgelse er, at den optiske ikke-linearitet opstår fra de elektroner, der er til stede i den højt dopede CdO og arten af ​​båndstrukturen af ​​CdO. Kombinationen af ​​optisk pumpning ved ENZ-bølgelængden og arten af ​​den ikke-linearitet, der giver anledning til HHG, kunne give vejledning til yderligere forbedringer, samtidig med at søgningen efter andre materialer, der udviser lignende adfærd, informeres.

For de medlemmer af samarbejdet, der arbejder hos Sandia, denne forskning stammede fra en bredere interesse for ikke-lineær optik, som de planlægger at fortsætte med at studere på andre måder. For eksempel, Sandia har allerede udforsket et relateret fænomen, hvor lys, der passerer gennem cadmiumoxid, bliver mere end 10 gange lysere inde i materialet. I deres arbejde, de brugte denne effekt til at bygge en højkontrast optisk switch, der i sidste ende kunne hjælpe med at fremskynde optisk kommunikation.

© 2019 Science X Network