Skip to content
Home » Hoe een enkele cilinder extreme fysica ontketent

Hoe een enkele cilinder extreme fysica ontketent

    A woman with safety glasses working in a physics lab

    Natuurkundigen hebben een enkele extreem kleine component gebruikt om extreem korte, extreem heldere pulsen van extreem korte golflengte laserlicht te maken.

    Anastasiia Zalogina van het Nonlinear Physics Center leidde een project om infrarood laserlicht om te zetten in hoge harmonischen (tot zeven keer kortere golflengten variërend van zichtbaar tot UV-spectrum), met behulp van een enkele cilinder van aluminium galliumarsenide met een diameter die ongeveer 50 keer kleiner is dan die van een mens haar.

    “Kleine bronnen van hoge harmonischen zouden optische microscopie naar een volledig nieuw niveau moeten brengen”, zegt mevrouw Zalogina, die onlangs haar doctoraat behaalde in het Nonlinear Physics Centre.

    “Met dergelijke lichtbronnen zullen we in de optische microscoop veel kleinere dingen kunnen zien, zoals individuele virussen, of in realtime de fabricage van halfgeleiderchips op nanometerschaal voor computers en smartphones kunnen volgen”,

    “We zullen ook in realtime de dynamiek van elektronenwolken van atomen en moleculen kunnen volgen.”

    Hoge harmonische generatie is een van de weinige methoden voor het creëren van afstembare laserstraling bij extreme golflengten zoals het extreem ultraviolet of zelfs röntgenstralen. Het proces is gebaseerd op niet-lineaire interacties tussen licht en materie – een reactie van een materiaal op zeer krachtige laserstraling. Dit leidt ook tot extreem korte pulsen – zo kort als attoseconden (korter dan een miljoenste van een miljardste van een seconde) en heeft het hele veld van de attofysica voortgebracht.

    Conventioneel vindt de vorming van hoge harmonischen plaats in grote volumes gassen of plasma. Dit werk is het eerste dat de generatie van hoge harmonische aantoont met behulp van één enkele vastestofcomponent die kleiner is dan de pompgolflengte – een veel geminiaturiseerde methode vergeleken met gebruikelijke benaderingen.

    “Hoge harmonische generatie heeft veelbelovende vooruitzichten bij het verkennen van het gebied van niet-lineaire optica en fotonica, en toepassingen in bio-imaging vanwege een hogere penetratiediepte en verminderde fotobleking”, zei mevrouw Zalogina.

    “De ontwikkeling van hoge harmonische generatie kan ook kwantumoptica en sterke laserveldfysica verbinden: de kwantumtheorie van extreme niet-lineaire optica suggereert dat niet-klassieke lichtbronnen op basis van gegenereerde harmonischen waardevol kunnen zijn voor kwantumcommunicatie, informatie en berekening.”

    De eerste resultaten stelden het team teleur. In plaats van scherpe pieken van licht met een korte golflengte, waarvan de golflengte kon worden afgestemd, genereerde de kleine cilinder een brede spreiding van golflengten die niet veranderde als de pomplaser werd afgestemd.

    “De teleurstelling sloeg echter om in een Eureka-moment toen we ons realiseerden dat we een ander maar verwant fenomeen hadden waargenomen, multifoton-luminescentie,” zei mevrouw Zalogina.

    Dit effect hangt af van de absorptie van meerdere fotonen om een ​​resonantie-energieniveau van het medium te bereiken, wat leidt tot straling die wordt uitgezonden door het resonantieniveau. Modellering bevestigde dat het mechanisme de absorptie van vijf fotonen tegelijk was – meer dan eerdere waarnemingen van luminescentie van vier fotonen – de eerste waarneming van het effect in zo’n kleine diëlektrische structuur.

    Het team rapporteerde hun observatie in Nano Letters en merkte op dat een oordeelkundige keuze van de diameter van de cilinder het mogelijk maakte om het effect tot 10.000 keer te optimaliseren.

    Terugkerend naar de oorspronkelijke zoektocht naar het genereren van hoge harmonischen, heeft het team protocollen opgesteld voor het schakelen tussen de verbetering van hoge harmonischen en de verbetering van multifoton-luminescentie.

    Ze waren in staat om duidelijk te zien dat hun pompstraling (golflengte ~3,6 um) werd omgezet in vijfde (~700 nm) en zevende (~500nm) harmonische straling. De resultaten zijn momenteel beschikbaar in de Proceedings of CLEO Conference.

    Mevrouw Zalogina zei dat het succes met een enkele component op micronschaal verheugend was.

    “Het is bijzonder uitdagend om de onzichtbare midden-infrarode straling te concentreren in het midden van een object dat 50 keer kleiner is in diameter dan een mensenhaar en om zulke delicate effecten waar te nemen als niet-lineaire interacties tussen licht en materie van hoge orde.”