Fizycy wygenerowali wysokie harmoniczne w niobianie litu domieszkowanym magnezem (Mg:LiNbO3) i w amorficznym krzemie (a-Si), wykorzystując makroskopowy stan kwantowy światła — skompresowaną jasną próżnię. Okazało się, że taka generacja jest około pięć razy bardziej efektywna niż standardowa generacja harmonicznych za pomocą 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 za pomocą laserów - światła spójnego. Jednak wydajność takiego pompowania jest ograniczona różnymi czynnikami, na przykład energią fotonów, nasyceniem i utratą synchronizacji fazowej. Możliwe jest zwiększenie sprawności generacji poprzez wykorzystanie skompresowanych stanów lekkich. Naukowcy wykorzystują już takie stany na przykład w procesorze fotonowym. Więcej na temat stanów skompresowanych świata można przeczytać w naszym materiale „Temperówka kwantowa”. Jednakże w zastosowaniach do generowania wyższych harmonicznych wykorzystanie skompresowanych stanów świetlnych 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 wysokie harmoniczne wygenerowano metodami klasycznymi i kwantowymi.
W obu metodach fizycy wykorzystali 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 parametrycznym, naukowcy uzyskali klasyczne światło spójne do generowania wysokich harmonicznych. Aby uzyskać stan kwantowy światła, naukowcy, podobnie jak w przypadku 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 podstawową harmoniczną przestrzenną stanu kwantowego światła. W rezultacie naukowcy uzyskali superpozycję kwantową składającą się z parzystej liczby 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 harmonicznych. Co więcej, naukowcy wykazali, że zwiększenie intensywności pompowania może prowadzić do uszkodzenia optycznego próbek, podczas gdy kwantowy stan światła nie powoduje żadnych uszkodzeń 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”.