Fizycy wygenerowali wysokie harmoniczne w domieszkowanym magnezem niobianie litu (Mg:LiNbO3) i w amorficznym krzemie (a-Si) przy użyciu makroskopowego stanu kwantowego światła — sprężonej jasnej próżni. Taka generacja okazała się około pięć razy bardziej efektywna niż standardowa generacja harmonicznych przez spójne światło. Artykuł opublikowano w Nature Physics.
Generowanie wysokich harmonicznych jest podstawą wielu fundamentalnych badań i praktycznych zastosowań. Na przykład, wykorzystuje się je do uzyskiwania impulsów attosekundowych (za to przyznano w zeszłym roku 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 fazowej. Możliwe byłoby zwiększenie wydajności generacji poprzez wykorzystanie skompresowanych stanów świetlnych. Naukowcy już wykorzystują takie stany, na przykład w procesorze fotonicznym. Więcej o skompresowanych stanach świata można przeczytać w naszym materiale "Quantum pencil temperener". Jednak w zastosowaniu do generowania wysokich harmonicznych wykorzystanie skompresowanych stanów świetlnych było dotychczas rozważane wyłącznie teoretycznie.
Grupa naukowców z Niemiec, Izraela i Kanady, kierowana przez Marię Chekhovą i Francesco Tani z Instytutu Nauki o Świetle im. Maxa Plancka, wygenerowała wysokie harmoniczne w ciałach stałych, wykorzystując stan kwantowy światła — sprężoną jasną próżnię. W tym celu wykorzystali próbki niobianu litu domieszkowanego magnezem i amorficznego krzemu, w których wysokie harmoniczne wygenerowano przy użyciu metod klasycznych i kwantowych.
Jako laser pompujący w obu metodach fizycy użyli tego samego optycznego układu lasera tytanowo-szafirowego o centralnej długości fali 800 nanometrów, szerokości impulsu 45 femtosekund i częstotliwości powtarzania jednego kiloherca. Łącząc ten układ z femtosekundowym wzmacniaczem parametrycznym, naukowcy uzyskali klasyczne spójne światło 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 podstawową przestrzenną harmoniczną 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 stan kwantowy światła jest 5–15 razy bardziej wydajne, w zależności od rzędu harmonicznych. Ponadto naukowcy wykazali, że gdy intensywność pompowania jest zwiększona, generowanie metodą klasyczną może prowadzić do uszkodzenia optycznego próbek, podczas gdy stan kwantowy światła nie szkodzi próbkom.
O tym, dlaczego naukowcy, w tym ubiegłoroczni laureaci Nagrody Nobla, dążą do uzyskania wyższych harmonicznych i krótkich impulsów, przeczytacie w naszym materiale „Skrócić puls”.