In tegenstelling tot fictieve laserzwaarden, hebben echte laserstralen geen interactie met elkaar wanneer ze elkaar kruisen, tenzij de stralen elkaar ontmoeten in een geschikt materiaal dat niet-lineaire interactie tussen licht en materie mogelijk maakt. In een dergelijk geval kan golfmenging aanleiding geven tot bundels met veranderde kleuren en richtingen.

Golfmengprocessen tussen verschillende lichtbundels zijn een hoeksteen van het gebied van niet-lineaire optica, dat stevig verankerd is sinds lasers op grote schaal beschikbaar zijn geworden. Binnen een geschikt materiaal, zoals bepaalde kristallen, kunnen twee laserstralen "elkaars aanwezigheid voelen". In dit proces kunnen energie en momentum worden uitgewisseld, wat aanleiding geeft tot extra laserstralen die uit de interactiezone komen in verschillende richtingen en met verschillende frequenties, gezien in het zichtbare spectrale bereik als verschillende kleuren. Deze effecten worden vaak gebruikt om nieuwe laserlichtbronnen te ontwerpen en te realiseren.

De analyse van de opkomende lichtbundels in golfvermengingsverschijnselen geeft inzicht in de aard van het materiaal waarin het golfvermengingsproces plaatsvindt. Dergelijke op golfmenging gebaseerde spectroscopie stelt onderzoekers in staat om de fijne kneepjes van de elektronische structuur van een monster te begrijpen en hoe licht het materiaal kan exciteren en ermee kan interageren. Tot nu toe zijn deze benaderingen echter nauwelijks gebruikt buiten het zichtbare of infrarode spectrale bereik.

Een team van onderzoekers van het Max Born Institute (MBI), Berlijn en DESY, Hamburg, heeft een nieuw soort golfmengproces waargenomen waarbij zachte röntgenstralen worden gebruikt. Overlappende ultrakorte pulsen van zachte röntgenstralen en infraroodstraling in een eenkristal van lithiumfluoride (LiF), zagen ze hoe energie van twee infraroodfotonen werd overgebracht naar of van het röntgenfoton, waardoor de röntgen "kleur" in een zogenaamd niet-lineair proces van de derde orde.

Niet alleen hebben ze dit specifieke proces voor het eerst met röntgenstralen waargenomen, maar ze waren ook in staat om de efficiëntie ervan in kaart te brengen bij het veranderen van de kleur van de binnenkomende röntgenstralen. Het blijkt dat de mengsignalen alleen detecteerbaar zijn wanneer het proces een elektron in de binnenste schil van een lithiumatoom omvat die wordt bevorderd tot een toestand waarin dit elektron stevig is gebonden aan de leegte die het achterliet - een toestand die bekend staat als exciton. Bovendien blijkt uit vergelijking met de theorie dat een anders "optisch verboden" overgang van een binnenschilelektron bijdraagt ​​aan het golfmengproces.

Via analyse van dit resonante vier-golf-mengproces kregen de onderzoekers een gedetailleerd beeld van waar het optisch aangeslagen elektron zich in zijn zeer korte levensduur verplaatst. "Alleen als het geëxciteerde elektron zich in de onmiddellijke nabijheid van het gat bevindt dat het heeft achtergelaten, nemen we het vier-golf-mengsignaal waar", zegt Robin Engel, een Ph.D. student betrokken bij het werk, "en omdat we een specifieke kleur röntgenstralen hebben gebruikt, weten we dat dit gat zich heel dicht bij de atoomkern van het lithiumatoom bevindt."

Vanwege het vermogen van röntgenstralen om elektronen in de binnenste schil selectief te exciteren bij de verschillende atoomsoorten in een materiaal, stelt de gedemonstreerde benadering onderzoekers in staat om elektronen te volgen die in moleculen of vaste stoffen bewegen nadat ze zijn gestimuleerd door een ultrasnelle laserpuls. Deze processen - elektronen die naar verschillende atomen bewegen nadat ze door licht zijn geëxciteerd - zijn cruciale stappen in fotochemische reacties of toepassingen zoals het oogsten van licht, bijvoorbeeld via fotovoltaïsche energie of directe zonne-brandstofopwekking.

"Omdat onze benadering van golf-mengspectroscopie kan worden geschaald naar veel hogere foton-energieën bij röntgenlasers, kunnen veel verschillende atomen van het periodiek systeem selectief worden geëxciteerd. Op deze manier verwachten we dat het mogelijk zal zijn om de voorbijgaande aanwezigheid van elektronen op veel verschillende atomen van een complexer materiaal, wat nieuwe inzichten geeft in deze belangrijke processen", legt Daniel Schick, onderzoeker bij MBI, uit.

Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances . + Verder verkennen

Onderzoekers bereiken extreem-ultraviolette spectrale compressie door vier-golfmenging