Fizycy wygenerowali harmoniczne wyższego rzędu w niobianie litu domieszkowanym magnezem (Mg:LiNbO3) i krzemie amorficznym (a-Si) za pomocą makroskopowego stanu kwantowego światła – sprężonej, jasnej próżni. To generowanie okazało się około pięciokrotnie wydajniejsze niż standardowe generowanie harmonicznych za pomocą światła spójnego. Artykuł został opublikowany w czasopiśmie „Nature Physics”.
Generowanie wysokich harmonicznych leży u podstaw wielu badań podstawowych i zastosowań praktycznych. Na przykład, jest wykorzystywane do generowania impulsów attosekundowych (za co w zeszłym roku przyznano Nagrodę Nobla). Wysokie harmoniczne są zazwyczaj uzyskiwane poprzez pompowanie próbki laserami – światłem spójnym. Jednak wydajność takiego pompowania jest ograniczona różnymi czynnikami, takimi jak energia fotonów, nasycenie i utrata synchronizacji fazy. Wydajność generacji można zwiększyć, wykorzystując ściśnięte stany światła. Naukowcy już wykorzystują takie stany, na przykład w procesorze fotonicznym. Więcej informacji na temat ściśniętych stanów światła można znaleźć w naszym artykule „Quantum Pencil Temperener”. Jednak w zastosowaniach do generowania wysokich harmonicznych, wykorzystanie ściśniętych stanów światła było dotychczas rozważane jedynie teoretycznie.
Zespół naukowców z Niemiec, Izraela i Kanady, pod kierownictwem Marii Czechowej i Francesca Taniego z Instytutu Nauki o Świetle im. Maxa Plancka, wygenerował wysokie harmoniczne w ciałach stałych, wykorzystując kwantowy stan światła – sprężoną, jasną próżnię. Wykorzystali oni niobian litu domieszkowany magnezem oraz próbki krzemu amorficznego, generując wysokie harmoniczne metodami klasycznymi i kwantowymi.
W obu metodach, w przypadku lasera pompującego, 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 optycznym wzmacniaczem parametrycznym, naukowcy uzyskali klasyczne światło spójne do generowania wysokich harmonicznych. Aby uzyskać kwantowy stan światła, naukowcy, równolegle z klasycznym schematem, przepuścili wiązkę lasera przez trzymilimetrowej grubości kryształ β-boranu baru, a następnie odbili powstały stan z powrotem do tego samego kryształu za pomocą płaskiego srebrnego lustra, aby ujawnić fundamentalną przestrzenną harmoniczną kwantowego stanu światła. W rezultacie naukowcy uzyskali kwantową superpozycję stanów z parzystą liczbą fotonów – skompresowaną jasną próżnię.
Fizycy napromieniowali próbki obiema metodami i zaobserwowali generację w nich wysokich harmonicznych. Stwierdzili, że przy tej samej intensywności pompowania, generacja harmonicznych z wykorzystaniem kwantowego stanu światła jest od 5 do 15 razy bardziej wydajna, w zależności od rzędu harmonicznej. Ponadto wykazali, że przy zwiększonej intensywności pompowania, generacja klasyczna może powodować uszkodzenia optyczne próbek, podczas gdy kwantowy stan światła im nie szkodzi.
Przeczytaj nasz artykuł „Skracanie pulsu”, aby dowiedzieć się, dlaczego naukowcy, w tym ubiegłoroczni laureaci Nagrody Nobla, dążą do uzyskania wyższych harmonicznych i krótszych pulsów.
