Fizycy wygenerowali wysokie harmoniczne w niobianie litu domieszkowanym magnezem (Mg:LiNbO3) i amorficznym krzemie (a-Si), wykorzystując makroskopowy stan kwantowy światła — skompresowaną jasną próżnię. Okazało się, że ta generacja jest około pięć razy bardziej wydajna niż standardowa generacja harmonicznych przy użyciu światła spójnego. Artykuł opublikowano w czasopiśmie Nature Physics.
Generowanie wysokich harmonicznych jest podstawą wielu badań podstawowych i zastosowań praktycznych. Wykorzystuje się ją na przykład do uzyskiwania impulsów attosekundowych (za co w zeszłym roku przyznano Nagrodę Nobla). Zazwyczaj wysokie harmoniczne uzyskuje się pompując próbkę laserami - światłem spójnym. Jednak wydajność takiego pompowania jest ograniczona różnymi czynnikami, takimi jak energia fotonów, nasycenie i utrata synchronizacji fazowej. Wydajność generowania można zwiększyć poprzez wykorzystanie skompresowanych stanów światła. Naukowcy wykorzystują już takie stany na przykład w procesorze fotonowym. Więcej na temat skompresowanych stanów światła można przeczytać w naszym artykule „Temperówka kwantowa”. Jednakże w zastosowaniach do generowania wyższych harmonicznych wykorzystanie skompresowanych stanów światła rozważano dotychczas wyłącznie teoretycznie.
Grupa naukowców z Niemiec, Izraela i Kanady pod przewodnictwem Marii Czechowej i Francesca Taniego z Instytutu Nauki o Świetle im. Maxa Plancka wygenerowała wysokie harmoniczne w ciałach stałych, wykorzystując kwantowy stan światła — skompresowaną, jasną próżnię. W tym celu wykorzystali próbki niobianu litu domieszkowanego magnezem oraz amorficznego krzemu, w których generowali wysokie harmoniczne za pomocą metod klasycznych i kwantowych.
Obie metody fizyczne wykorzystywały jako laser pompujący ten sam optyczny układ lasera tytanowo-szafirowego o centralnej długości fali 800 nanometrów, szerokości impulsu 45 femtosekund i częstotliwości powtarzania jednego kiloherca. Łącząc ten system z femtosekundowym wzmacniaczem optycznym o parametrach, naukowcy uzyskali klasyczne światło spójne do generowania wysokich harmonicznych. Aby uzyskać stan kwantowy światła, naukowcy przepuścili wiązkę lasera przez trzymilimetrowej grubości kryształ β-boranu baru, równolegle do klasycznego schematu, a następnie odbili uzyskany stan z powrotem do tego samego kryształu za pomocą płaskiego srebrnego lustra, ujawniając w ten sposób główną harmoniczną przestrzenną stanu kwantowego światła. W rezultacie naukowcy uzyskali kwantową superpozycję stanów o parzystej liczbie fotonów — skompresowaną, jasną próżnię.
Fizycy napromieniowali próbki obiema metodami i zaobserwowali powstawanie w nich wysokich harmonicznych. W rezultacie naukowcy odkryli, że przy tej samej intensywności pompowania generowanie harmonicznych przez stan kwantowy światła jest od 5 do 15 razy bardziej wydajne, w zależności od rzędu harmonicznej. Co więcej, naukowcy wykazali, że zwiększenie intensywności pompowania może prowadzić do uszkodzeń optycznych próbek, podczas gdy stan kwantowy światła nie powoduje uszkodzeń próbek.
O tym, dlaczego naukowcy, w tym ubiegłoroczni laureaci Nagrody Nobla, dążą do uzyskania wyższych harmonicznych i krótszych impulsów, możesz przeczytać w naszym materiale „Skracanie pulsu”.