DESY- en MPSD-wetenschappers hebben harmonischen van hoge orde gecreëerd uit vaste stoffen met gecontroleerde polarisatietoestanden, gebruikmakend van zowel kristalsymmetrie als attoseconde elektronische dynamiek. De nieuw gedemonstreerde techniek kan intrigerende toepassingen vinden in petahertz-elektronica en voor spectroscopische studies van nieuwe kwantummaterialen.

Het niet-lineaire proces van het genereren van hoge-orde harmonische (HHG) in gassen is een van de hoekstenen van de attoseconde-wetenschap. Een attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde) en wordt veel gebruikt in veel wetenschapsgebieden, inclusief natuurkunde, scheikunde en biologie. Dit sterke-veldfenomeen zet veel laagenergetische fotonen van een intense laserpuls om in een foton met veel hogere energie. Terwijl het HHG-proces goed wordt begrepen in atomaire en moleculaire gassen, het mechanisme dat ten grondslag ligt aan frequentieomzetting in vaste materialen is momenteel nog onderwerp van wetenschappelijke controverse.

Door HHG-experimenten en geavanceerde theoretische simulaties te combineren, wetenschappers van het Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) van het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg introduceren nu polarisatietoestand-opgeloste hoogharmonische spectroscopie van vaste stoffen, wat diepere inzichten mogelijk maakt in zowel elektronische als structurele dynamiek die plaatsvindt op tijdschalen die korter zijn dan één oscillatie van het lichtveld. Hun werk is nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De uitgezonden harmonische velden kunnen lineair oscilleren, of ze kunnen elliptisch of cirkelvormig roteren met de klok mee of tegen de klok in (de zogenaamde heliciteit) - net als een schroef van licht. De wetenschappers onthullen nu hoe de polarisatietoestanden van de harmonischen en hun handigheid waardevolle informatie coderen over de kristalstructuur en ultrasnelle sterke velddynamiek, en hoe de polarisatietoestanden van de harmonischen kunnen worden gecontroleerd. Bovendien, aangezien de harmonischen worden gecreëerd binnen een enkele periode van het incident-aandrijfveld, de methode komt inherent met een sub-optische cyclus temporele resolutie.

Het huidige werk onderzoekt de prototypematerialen silicium en kwarts om de nieuwe spectroscopische techniek vast te stellen. Toch is de methode veelzijdig en zal naar verwachting belangrijke toepassingen vinden in toekomstige studies van nieuwe kwantummaterialen zoals sterk gecorreleerde materialen, topologische isolatoren, en magnetische materialen.