Cornell-onderzoekers hebben nanostructuren ontwikkeld die een recordbrekende conversie van laserpulsen naar het genereren van hoge harmonische mogelijk maken, de weg vrijmaken voor nieuwe wetenschappelijke hulpmiddelen voor beeldvorming met hoge resolutie en het bestuderen van fysieke processen die plaatsvinden op de schaal van een attoseconde.

Hoogharmonische generatie wordt al lang gebruikt om fotonen van een pulserende laser samen te voegen tot één, ultrakort foton met veel hogere energie, het produceren van extreem ultraviolet licht en röntgenstralen die voor verschillende wetenschappelijke doeleinden worden gebruikt. traditioneel, gassen zijn gebruikt als bronnen van harmonischen, maar een onderzoeksteam onder leiding van Gennady Shvets, hoogleraar toegepaste en technische fysica aan het College of Engineering, heeft aangetoond dat gemanipuleerde nanostructuren een mooie toekomst hebben voor deze toepassing.

Het onderzoek wordt gedetailleerd beschreven in het artikel "Generation of Even and Odd High Harmonics in Resonant Metasurfaces Using Single and Multiple Ultra-Intense Laser Pulses, " gepubliceerd 7 juli in Natuurcommunicatie . Maxim Sjtsjerbakov, die het onderzoek deed als postdoctoraal medewerker van Cornell voordat hij assistent-professor werd aan de Universiteit van Californië, Irvine, is de hoofdauteur.

De nanostructuren die door het team zijn gemaakt, vormen een ultradun resonant gallium-fosfide-meta-oppervlak dat veel van de gebruikelijke problemen overwint die gepaard gaan met het genereren van hoge harmonische in gassen en andere vaste stoffen. Het galliumfosfidemateriaal maakt harmonischen van alle orden mogelijk zonder ze opnieuw te absorberen, en de gespecialiseerde structuur kan interageren met het volledige lichtspectrum van de laserpuls.

"Om dit te bereiken, moest de structuur van het meta-oppervlak worden geconstrueerd met behulp van full-wave-simulaties, " zei Shcherbakov. "We hebben de parameters van de galliumfosfidedeeltjes zorgvuldig geselecteerd om aan deze voorwaarde te voldoen, en toen was een aangepaste nanofabricagestroom nodig om het aan het licht te brengen."

Het resultaat zijn nanostructuren die in staat zijn om zowel even als oneven harmonischen te genereren - een beperking van de meeste andere harmonische materialen - die een breed scala aan fotonenergieën dekken tussen 1,3 en 3 elektronvolt. De recordbrekende conversie-efficiëntie stelt wetenschappers in staat om moleculaire en elektronische dynamiek in een materiaal te observeren met slechts één laseropname, helpen om monsters te behouden die anders zouden kunnen worden aangetast door meerdere krachtige opnamen.

De studie is de eerste die hoogharmonische gegenereerde straling van een enkele laserpuls waarneemt, waardoor het meta-oppervlak bestand was tegen hoge krachten - vijf tot tien keer hoger dan eerder werd getoond in andere meta-oppervlakken.

"Het opent nieuwe mogelijkheden om materie te bestuderen op ultrahoge velden, een regime dat voorheen niet gemakkelijk toegankelijk was, " zei Shcherbakov. "Met onze methode, we stellen ons voor dat mensen materialen kunnen bestuderen die verder gaan dan meta-oppervlakken, inclusief maar niet beperkt tot kristallen, 2D materialen, enkele atomen, kunstmatige atoomroosters en andere kwantumsystemen."

Nu het onderzoeksteam de voordelen heeft aangetoond van het gebruik van nanostructuren voor het genereren van hoge harmonische, het hoopt hoogharmonische apparaten en faciliteiten te verbeteren door de nanostructuren op elkaar te stapelen om een ​​vastestofbron te vervangen, zoals kristallen.