Fizycy wygenerowali wysokie harmoniczne w niobianie litu domieszkowanego magnezem (Mg:LiNbO3) i w amorficznym krzemie (a-Si), korzystając z makroskopowego kwantowego stanu światła — skompresowanej jasnej próżni. Taka generacja okazała się około pięciokrotnie bardziej efektywna niż standardowe generowanie harmonicznych przez światło spójne. Artykuł ukazał się w Nature Physics.
Generowanie wysokich harmonicznych jest podstawą wielu badań podstawowych i zastosowań praktycznych. Służy na przykład do uzyskiwania impulsów attosekundowych (za to w zeszłym roku przyznano Nagrodę Nobla). Zwykle wysokie harmoniczne uzyskuje się poprzez pompowanie próbki za pomocą laserów – światło spójne. Jednak wydajność takiego pompowania jest ograniczona różnymi czynnikami, na przykład energią fotonów, nasyceniem i utratą synchronizacji faz. Zwiększenie efektywności wytwarzania możliwe byłoby poprzez zastosowanie skompresowanych stanów świetlnych. Naukowcy wykorzystują już takie stany np. w procesorze fotonicznym. Więcej o skompresowanych stanach świata przeczytasz w naszym materiale „Kwantowa temperówka”. Jednakże w zastosowaniu do generowania wysokich harmonicznych zastosowanie skompresowanych stanów świetlnych było dotychczas rozważane tylko teoretycznie.
Grupa naukowców z Niemiec, Izraela i Kanady, kierowana przez Marię Czechową i Francesco Tani z Instytutu Nauk o Świetle Maxa Plancka, wygenerowała wysokie harmoniczne w ciałach stałych, wykorzystując kwantowy stan światła — skompresowaną jasną próżnię. W tym celu wykorzystali próbki niobianu litu domieszkowanego magnezem i amorficznego krzemu, w których wygenerowano wysokie harmoniczne 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 powtarzania jednego kiloherca. Łącząc ten system z femtosekundowym optycznym wzmacniaczem parametrycznym, naukowcy uzyskali klasyczne, spójne światło generujące wysokie harmoniczne. Aby uzyskać kwantowy stan światła, naukowcy, kierując się klasycznym schematem, 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 odsłonić podstawowa harmonia przestrzenna kwantowego stanu światła. W rezultacie naukowcy uzyskali superpozycję kwantową składającą się z parzystej liczby fotonów – skompresowanej jasnej próżni.
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 kwantowy stan światła jest 5–15 razy wydajniejsze, w zależności od kolejności harmonicznych. Co więcej, naukowcy wykazali, że w przypadku zwiększenia intensywności pompowania generowanie metodą klasyczną może prowadzić do uszkodzeń optycznych próbek, natomiast stan kwantowy światła nie powoduje ich uszkodzenia.
O tym, dlaczego naukowcy, w tym ubiegłoroczni nobliści, dążą do uzyskania wyższych harmonicznych i krótkich impulsów, przeczytacie w naszym materiale „Skróć puls”.