Atomiske terahertz-vibrationer løser gåden med ultrakorte soliton-molekyler

Stabile pakker af lysbølger - kaldet optiske solitoner - udsendes i ultrakorte pulslasere som en kæde af lysglimt. Disse solitoner kombineres ofte i par med meget kort tidsmæssig adskillelse. Ved at introducere atomare vibrationer i terahertz-området har forskere ved universiteterne i Bayreuth og Wrocław nu løst gåden om, hvordan disse tidsmæssige forbindelser dannes. De rapporterer om deres opdagelse i Nature Communications . Dynamikken i de koblede lyspakker kan bruges til at måle atomvibrationer som karakteristiske "fingeraftryk" af materialer på en ekstrem hurtig måde.

I ultrakorte pulslasere kan optiske solitoner danne særligt tætte rumlige og tidsmæssige bindinger. Disse kaldes også ultrakorte "soliton-molekyler", fordi de er stabilt koblet til hinanden, svarende til de kemisk bundne atomer i et molekyle. Forskergruppen i Bayreuth brugte en meget brugt solid-state laser lavet af en safirkrystal doteret med titanium atomer for at finde ud af, hvordan denne kobling opstår. For det første stimulerer et enkelt ledende lysglimt atomerne i safirens krystalgitter til øjeblikkeligt at vibrere. Disse karakteristiske bevægelser svinger i terahertz-området og henfalder igen inden for nogle få picosekunder (et picosekund svarer til en trilliontedel af et sekund). I dette ekstremt korte tidsrum ændres brydningsindekset for krystallen. Når et andet lysglimt umiddelbart følger efter og indhenter det første, mærker det denne ændring:det påvirkes ikke kun lidt af atomvibrationerne, men kan også stabilt bindes til den foregående soliton. Et "soliton-molekyle" er født.

"Den mekanisme, vi opdagede, er baseret på de fysiske effekter af Raman-spredning og selvfokusering. Den forklarer en række fænomener, der har undret videnskaben siden opfindelsen af ​​titanium-safir-lasere for over 30 år siden. Det, der er særligt spændende ved opdagelsen, er at vi nu kan udnytte dynamikken af ​​solitoner under deres generering i laserhulrummet til at scanne atombindinger i materialer ekstremt hurtigt. Hele målingen af ​​et såkaldt intrakavitet Raman-spektrum tager nu mindre end en tusindedel af et sekund. Disse fund kan hjælpe at udvikle særligt hurtige kemisk følsomme mikroskoper, der kan bruges til at identificere materialer. Derudover åbner koblingsmekanismen op for nye strategier til at styre lysimpulser ved atomare bevægelser og omvendt at generere unikke materialetilstande ved lysimpulser," forklarer juniorprofessor Dr. Georg Herink, leder af studiet og juniorprofessor i ultrahurtig dynamik ved University of Bayreuth.

Sideløbende med analysen af ​​eksperimentelle data er det lykkedes forskerne at udvikle en teoretisk model for soliton-dynamik. Modellen gør det muligt at forklare observationer opnået i eksperimenter og at forudsige nye virkninger af atomare vibrationer på dynamikken af ​​solitoner. Interaktionerne mellem solitoner i optiske systemer og deres anvendelser til højhastighedsspektroskopi bliver i øjeblikket undersøgt i DFG-forskningsprojektet FINTEC ved University of Bayreuth. + Udforsk yderligere

Kun adskilt med kvadrilliontedele af et sekund:Ultrakorte lysglimt kombineret præcist og hurtigt