Fizycy wygenerowali wysokie harmoniczne w niobianie litu domieszkowanym magnezem (Mg:LiNbO3) oraz w krzemie amorficznym (a-Si) wykorzystując makroskopowy stan kwantowy światła – sprężoną, jasną próżnię. Okazało się, że taka generacja jest około pięć razy bardziej efektywna niż standardowa generacja harmonicznych przez światło spójne. Artykuł został opublikowany w czasopiśmie Nature Physics.
Generowanie wysokich harmonicznych jest podstawą wielu badań fundamentalnych i zastosowań praktycznych. Na przykład, jest ono wykorzystywane do uzyskiwania impulsów attosekundowych (za co w zeszłym roku przyznano Nagrodę Nobla). Zazwyczaj wysokie harmoniczne uzyskuje się poprzez pompowanie próbki za pomocą laserów – światła spójnego. Jednak wydajność takiego pompowania jest ograniczona różnymi czynnikami, na przykład energią fotonów, nasyceniem i utratą synchronizacji fazy. Możliwe byłoby zwiększenie wydajności generacji poprzez wykorzystanie skompresowanych stanów światła. Naukowcy wykorzystują już takie stany, na przykład w procesorze fotonicznym. Więcej o skompresowanych stanach świata można przeczytać w naszym materiale „Kwantowa temperówka”. Jednak w zastosowaniach do generowania wysokich harmonicznych, wykorzystanie skompresowanych stanów światła było dotychczas rozważane jedynie teoretycznie.
Grupa naukowców z Niemiec, Izraela i Kanady, kierowana przez Marię Czechową i Francesco Taniego z Instytutu Nauki o Świetle im. Maxa Plancka, wygenerowała wysokie harmoniczne w ciałach stałych, wykorzystując kwantowy stan światła – sprężoną, jasną próżnię. W tym celu wykorzystali próbki niobianu litu domieszkowanego magnezem oraz krzemu amorficznego, w których wysokie harmoniczne wygenerowano metodami klasycznymi i kwantowymi.
Jako laser pompujący w obu metodach fizycy wykorzystali ten sam optyczny układ lasera tytanowo-szafirowego o centralnej długości fali 800 nanometrów, szerokości impulsu 45 femtosekund i częstotliwości repetycji jednego kiloherca. Łącząc ten układ z femtosekundowym wzmacniaczem parametrycznym, naukowcy uzyskali klasyczne światło spójne do generowania wysokich harmonicznych. Aby uzyskać stan kwantowy światła, naukowcy, równolegle do klasycznego schematu, przepuścili wiązkę lasera przez kryształ β-boranu baru o grubości trzech milimetrów, a następnie odbili uzyskany stan z powrotem do tego samego kryształu za pomocą płaskiego srebrnego lustra, aby ujawnić fundamentalną harmoniczną przestrzenną stanu kwantowego światła. W rezultacie naukowcy uzyskali superpozycję kwantową składającą się z parzystej liczby fotonów — skompresowanej jasnej próżni.
Fizycy napromieniowali próbki obiema metodami i zaobserwowali generowanie w nich wysokich harmonicznych. W rezultacie naukowcy odkryli, że przy tej samej intensywności pompowania, generowanie harmonicznych przez kwantowy stan światła jest od 5 do 15 razy bardziej wydajne, w zależności od rzędu harmonicznych. Co więcej, naukowcy wykazali, że wraz ze wzrostem intensywności pompowania, generowanie metodą klasyczną może prowadzić do uszkodzeń optycznych próbek, podczas gdy kwantowy stan światła nie powoduje uszkadzania próbek.
O tym, dlaczego naukowcy, w tym ubiegłoroczni laureaci Nagrody Nobla, dążą do uzyskania wyższych harmonicznych i krótkich impulsów, przeczytacie w naszym materiale „Skrócić puls”.