Wetenschappers van de MPSD en CFEL hebben de mogelijkheid aangetoond om een ​​nieuwe knop te gebruiken om het genereren van hoge-orde harmonischen in bulkmaterialen te regelen en te optimaliseren. een van de belangrijkste fysische processen voor het genereren van hoogenergetische fotonen en voor de ultrasnelle manipulatie van informatie.

Het genereren van harmonischen van hoge orde in gassen wordt tegenwoordig routinematig gebruikt in veel verschillende wetenschapsgebieden, variërend van natuurkunde, naar scheikunde en biologie. Dit sterke-veldfenomeen bestaat uit het omzetten van veel fotonen met lage energie die afkomstig zijn van een zeer sterke laser, tot minder fotonen met een hogere energie. Ondanks de groeiende belangstelling voor dit fenomeen in vaste stoffen, het mechanisme achter de omzetting van licht staat nog ter discussie voor vaste materialen.

Wetenschappers van het MPSD (Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter) en CFEL (Center for Free-Electron Laser Science) in Hamburg gebruikten geavanceerde theoretische simulatietools om het fundamentele begrip van dit fenomeen in vaste stoffen te vergroten . Hun werk is gepubliceerd in Nature Communications.

Wanneer atomen en moleculen interageren met sterke laserpulsen, ze zenden harmonischen van hoge orde uit van het fundamentele aansturende laserveld. De hoogharmonische generatie (HHG) in gassen wordt tegenwoordig regelmatig gebruikt om geïsoleerde attosecondepulsen en coherente straling te produceren, variërend van zichtbare tot zachte röntgenstralen. Door een hogere elektronische dichtheid, vaste stoffen zijn een veelbelovende route naar compact, helderdere HHG-bronnen. Echter, het gebruik ervan wordt momenteel belemmerd door het ontbreken van een microscopisch begrip van het mechanisme dat leidt tot HHG uit vaste stoffen.

Onderzoekers van de MPSD en CFEL hebben nu aangetoond dat, door gebruik te maken van elliptisch gepolariseerd rijlicht, het is mogelijk om het complexe samenspel tussen de twee mechanismen die verantwoordelijk zijn voor HHG in vaste stoffen te ontrafelen. Door middel van uitgebreide first-principles simulaties hebben ze laten zien hoe deze twee mechanismen sterk en verschillend worden beïnvloed door de ellipticiteit van het aansturende laserveld.

Het complexe samenspel tussen deze effecten kan worden gebruikt om de harmonische emissie in vaste stoffen af ​​te stemmen en te verbeteren. Vooral, ze hebben aangetoond dat de maximaal verkregen fotonenergie met maar liefst 30% kan worden verhoogd met behulp van een eindige ellipticiteit van het aansturende laserveld.

Ze toonden ook de mogelijkheid aan om circulair gepolariseerde harmonischen te genereren met afwisselende heliciteit uit een enkel circulair gepolariseerd aandrijfveld, waardoor een nieuwe weg wordt geopend voor een beter begrip en controle van HHG in vaste stoffen op basis van ellipticiteit, met intrigerende nieuwe mogelijkheden in de spectroscopie van magnetische materialen. Hun werk laat zien dat ellipticiteit een extra knop biedt om op experimentele wijze de opwekking van hoge-orde harmonische in vaste stoffen te regelen.