Het sturen en bewaken van de door licht aangedreven beweging van elektronen in materie op de tijdschaal van een enkele optische cyclus is een belangrijke uitdaging in ultrasnelle lichtgolfelektronica en lasergebaseerde materiaalverwerking. Natuurkundigen van het Max Born Instituut in Berlijn en de Universiteit van Rostock hebben nu een tot nu toe over het hoofd gezien niet-lineair optisch mechanisme onthuld dat voortkomt uit de door licht geïnduceerde tunneling van elektronen in diëlektrica. Voor intensiteiten in de buurt van de materiële schadedrempel, de niet-lineaire stroom die ontstaat tijdens het tunnelen wordt de dominante bron van heldere uitbarstingen van licht, die lage-orde harmonischen zijn van de invallende straling. Deze bevindingen, die zojuist zijn gepubliceerd in Natuurfysica , zowel het fundamentele begrip van optische niet-lineariteit in diëlektrische materialen als het potentieel voor toepassingen in informatieverwerking en op licht gebaseerde materiaalverwerking aanzienlijk uitbreiden.

Ons huidige begrip van niet-lineaire optica bij matige lichtintensiteiten is gebaseerd op de zogenaamde Kerr-niet-lineariteit, die de niet-lineaire verplaatsing beschrijft van strak gebonden elektronen onder invloed van een invallend optisch lichtveld. Dit beeld verandert drastisch wanneer de intensiteit van dit lichtveld voldoende hoog is om gebonden elektronen uit hun grondtoestand te stoten. Bij lange golflengten van het invallende lichtveld, dit scenario wordt geassocieerd met het fenomeen tunneling, een kwantumproces waarbij een elektron een klassiek verboden transit uitvoert door een barrière gevormd door de gecombineerde werking van de lichtkracht en de atomaire potentiaal.

Sinds de jaren 1990 en ontwikkeld door studies van de Canadese wetenschapper François Brunel, de beweging van elektronen die zijn ontstaan ​​aan het "einde van de tunnel, " wat met maximale waarschijnlijkheid gebeurt op de top van de lichtgolf, is beschouwd als een belangrijke bron voor optische niet-lineariteit. Dit beeld is nu fundamenteel veranderd. "In het nieuwe experiment op glas, we konden aantonen dat de stroom die wordt geassocieerd met het kwantummechanische tunnelproces zelf een optische niet-lineariteit creëert die het traditionele Brunel-mechanisme overtreft, " legt Dr. Alexandre Mermillod-Blondin uit van het Max Born Instituut voor niet-lineaire optica en korte pulsspectroscopie, die het experiment begeleidde. In het experiment, twee ultrakorte lichtpulsen met verschillende golflengten en enigszins verschillende voortplantingsrichtingen werden gefocust op een dunne plaat glas, en een tijd- en frequentie-opgeloste analyse van de opkomende lichtemissie werd uitgevoerd.

De identificatie van het mechanisme dat verantwoordelijk is voor deze emissie werd mogelijk gemaakt door een theoretische analyse van de metingen die werd uitgevoerd door de groep van Prof. Thomas Fennel, die werkt aan de Universiteit van Rostock en aan het Max Born Institute in het kader van een DFG Heisenberg-hoogleraarschap. "De analyse van de gemeten signalen in termen van een hoeveelheid die we de effectieve niet-lineariteit noemden, was de sleutel om het nieuwe ionisatiestroommechanisme te onderscheiden van andere mogelijke mechanismen en om zijn dominantie aan te tonen, ", legt Venkel uit.

Toekomstige studies met behulp van deze kennis en de nieuwe metrologische methode die in de loop van dit werk is ontwikkeld, kunnen onderzoekers in staat stellen om ionisatie en lawines in diëlektrische materialen tijdelijk op te lossen en te sturen met een ongekende resolutie, uiteindelijk mogelijk op de tijdschaal van een enkele lichtcyclus.