Lys inde fra tunnelen

Styring og overvågning af den lysdrevne bevægelse af elektroner inde i stof på tidsskalaen af ​​en enkelt optisk cyklus er en nøgleudfordring i ultrahurtig lysbølgeelektronik og laserbaseret materialebehandling. Fysikere fra Max Born Institute i Berlin og Universitetet i Rostock har nu afsløret en hidtil overset ikke-lineær optisk mekanisme, der opstår fra den lysinducerede tunnelering af elektroner inde i dielektrikum. For intensiteter tæt på tærsklen for materielle skader, den ikke-lineære strøm, der opstår under tunneling, bliver den dominerende kilde til lyse lysudbrud, som er lavordens harmoniske af den indfaldende stråling. Disse fund, som netop er blevet offentliggjort i Naturfysik , betydeligt udvide både den grundlæggende forståelse af optisk ikke-linearitet i dielektriske materialer og dets potentiale for anvendelser i informationsbehandling og lysbaseret materialebehandling.

Vores nuværende forståelse af ikke-lineær optik ved moderate lysintensiteter er baseret på den såkaldte Kerr ikke-linearitet, som beskriver den ikke-lineære forskydning af tæt bundne elektroner under påvirkning af et indfaldende optisk lysfelt. Dette billede ændrer sig dramatisk, når intensiteten af ​​dette lysfelt er tilstrækkelig høj til at udstøde bundne elektroner fra deres grundtilstand. Ved lange bølgelængder af det indfaldende lysfelt, dette scenarie er forbundet med fænomenet tunneling, en kvanteproces, hvor en elektron udfører en klassisk forbudt transit gennem en barriere dannet af den kombinerede virkning af lyskraften og atompotentialet.

Siden 1990'erne og banebrydende gennem undersøgelser fra den canadiske videnskabsmand François Brunel, bevægelsen af ​​elektroner, der er opstået for enden af ​​tunnelen, "hvilket sker med maksimal sandsynlighed ved toppen af ​​lysbølgen, er blevet betragtet som en vigtig kilde til optisk ikke-linearitet. Dette billede har nu ændret sig fundamentalt. "I det nye eksperiment på glas, vi kunne vise, at den strøm, der er forbundet med den kvantemekaniske tunnelproces, selv skaber en optisk ikke-linearitet, der overgår den traditionelle Brunel-mekanisme, " forklarer Dr. Alexandre Mermillod-Blondin fra Max Born-instituttet for ikke-lineær optik og kortpulsspektroskopi, der overvågede forsøget. I forsøget to ultrakorte lysimpulser med forskellige bølgelængder og lidt forskellige udbredelsesretninger blev fokuseret på en tynd glasplade, og en tids- og frekvensopløst analyse af den nye lysemission blev udført.

Identifikation af den mekanisme, der er ansvarlig for denne emission, blev muliggjort af en teoretisk analyse af målingerne, som blev udført af gruppen af ​​prof. Thomas Fennikel, der arbejder på University of Rostock og på Max Born Institute inden for rammerne af et DFG Heisenberg-professorat. "Analysen af ​​de målte signaler i form af en mængde, som vi kaldte den effektive ikke-linearitet, var nøglen til at skelne den nye ioniseringsstrømmekanisme fra andre mulige mekanismer og for at demonstrere dens dominans, " forklarer fennikel.

Fremtidige undersøgelser, der anvender denne viden og den nye metrologimetode, der blev udviklet i løbet af dette arbejde, kan sætte forskere i stand til midlertidigt at løse og styre stærkfeltionisering og laviner i dielektriske materialer med hidtil uset opløsning, i sidste ende muligvis på tidsskalaen for en enkelt lyscyklus.