Stabiele pakketjes lichtgolven, optische solitonen genoemd, worden uitgezonden in ultrakortepulslasers als een keten van lichtflitsen. Deze solitonen combineren vaak in paren met een zeer korte tijdelijke scheiding. Door atomaire trillingen in het terahertz-bereik te introduceren, hebben onderzoekers van de universiteiten van Bayreuth en Wrocław nu de puzzel opgelost over hoe deze tijdelijke verbindingen worden gevormd. Ze rapporteren over hun ontdekking in Nature Communications . De dynamiek van de gekoppelde lichtpakketten kan worden gebruikt om atomaire trillingen als karakteristieke "vingerafdrukken" van materialen op een extreem snelle manier te meten.

In ultrakortepulslasers kunnen optische solitonen bijzonder nauwe ruimtelijke en tijdelijke bindingen vormen. Deze worden ook wel ultrakorte "soliton-moleculen" genoemd omdat ze stabiel aan elkaar zijn gekoppeld, vergelijkbaar met de chemisch gebonden atomen van een molecuul. De onderzoeksgroep in Bayreuth gebruikte een veelgebruikte vastestoflaser gemaakt van een met titaniumatomen gedoteerd saffierkristal om erachter te komen hoe deze koppeling tot stand komt. Ten eerste stimuleert een enkele voorlopende lichtflits de atomen in het kristalrooster van de saffier om onmiddellijk te trillen. Deze karakteristieke beweging oscilleert in het terahertz-bereik en vervalt weer binnen enkele picoseconden (een picoseconde komt overeen met een biljoenste van een seconde). In deze extreem korte tijdspanne verandert de brekingsindex van het kristal. Wanneer onmiddellijk een tweede lichtflits volgt en de eerste inhaalt, voelt het deze verandering:het wordt niet alleen licht beïnvloed door de atomaire trillingen, maar kan ook stabiel gebonden zijn aan de voorgaande soliton. Er wordt een "soliton-molecuul" geboren.

"Het mechanisme dat we ontdekten, is gebaseerd op de fysieke effecten van Raman-verstrooiing en zelffocus. Het verklaart een verscheidenheid aan fenomenen die de wetenschap in verwarring hebben gebracht sinds de uitvinding van titanium-saffierlasers meer dan 30 jaar geleden. Wat vooral opwindend is aan de ontdekking is dat we nu de dynamiek van solitonen tijdens hun generatie in de laserholte kunnen benutten om atomaire bindingen in materialen extreem snel te scannen. De hele meting van een zogenaamd intracaviteit Raman-spectrum duurt nu minder dan een duizendste van een seconde. Deze bevindingen kunnen helpen om bijzonder snelle chemisch gevoelige microscopen te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt om materialen te identificeren.Bovendien opent het koppelingsmechanisme nieuwe strategieën om lichtpulsen te regelen door atomaire bewegingen en, omgekeerd, om unieke materiaaltoestanden te genereren door lichtpulsen", legt junior professor Dr. Georg Herink, hoofd van de studie en junior professor ultrasnelle dynamiek aan de Universiteit van Bayreuth.

Parallel aan de analyse van experimentele data zijn de onderzoekers erin geslaagd een theoretisch model voor solitondynamica te ontwikkelen. Het model maakt het mogelijk om de waarnemingen die in experimenten zijn verkregen te verklaren en om nieuwe effecten van atomaire trillingen op de dynamiek van solitonen te voorspellen. De interacties van solitonen in optische systemen en hun toepassingen voor hogesnelheidsspectroscopie worden momenteel onderzocht in het DFG-onderzoeksproject FINTEC aan de Universiteit van Bayreuth. + Verder verkennen

Slechts een biljardste van een seconde gescheiden:ultrakorte lichtflitsen worden nauwkeurig en snel gecombineerd