I fisici laser con sede presso il Laboratorio di Fisica degli Attosecondi gestito dall'Istituto Max Planck di ottica quantistica e dall'Università Ludwig-Maximilian hanno, per la prima volta, solitoni dissipativi generati in passivo, risonatori a spazio libero.

I solitoni sono le più stabili di tutte le onde. In condizioni che comportano la dispersione di tutte le altre forme d'onda, un solitone continuerà indisturbato nel suo cammino solitario, senza cambiarne minimamente forma o velocità. Le proprietà autostabilizzanti dei solitoni spiegano il loro immenso significato nel campo dell'ottica laser, in particolare per la generazione di impulsi luminosi ultracorti. Un team guidato dal Dr. Ioachim Pupeza presso il Laboratorio di Fisica degli Attosecondi (LAP) a Monaco di Baviera, che è gestito congiuntamente dal Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) e dalla Ludwig-Maximilian University (LMU), ha ora generato per la prima volta solitoni ottici in risonatori passivi nello spazio libero. La tecnica consente di comprimere gli impulsi laser aumentandone la potenza di picco, aprendo nuove applicazioni per cavità di miglioramento dello spazio libero nell'esplorazione della dinamica ultraveloce e nella spettroscopia di precisione.

Il giovane ingegnere John Scott Russell osservò per la prima volta la formazione di un'onda d'acqua solitaria in un canale di Edimburgo nel 1834. La seguì a cavallo, e trovò che si propagava a velocità costante per miglia senza cambiare forma. Ha persino costruito un serbatoio d'acqua nel suo giardino per indagare sul fenomeno. Ma non avrebbe potuto prevedere il successivo significato di questa forma d'onda "solitone" per rami della fisica oltre l'area della fluidodinamica. Oggi, I solitoni ottici sono una componente indispensabile della tecnologia laser, soprattutto nello studio dell'ottica quantistica e della dinamica ultraveloce.

I fisici del Laboratorio di Fisica degli Attosecondi gestito da MPQ e LMU hanno ora, per la prima volta, è riuscito a produrre solitoni ottici temporali in un risonatore passivo dello spazio libero. Fare così, hanno accoppiato impulsi laser a infrarossi da 350 femtosecondi con una lunghezza d'onda di 1035 nanometri e una frequenza di ripetizione di 100 MHz, in un risonatore ottico passivo di nuova concezione composto da quattro specchi e una sottile lastra di zaffiro.

"Il passaggio del campo elettromagnetico dell'impulso ottico provoca una variazione non lineare dell'indice di rifrazione del cristallo, " spiega Nikolai Lilienfein, primo autore dell'articolo pubblicato. "Ciò si traduce in uno sfasamento dinamico, che compensa completamente la dispersione che si verifica nel risonatore, mentre allo stesso tempo ampliando lo spettro dell'impulso." Poiché le perdite di potenza che inevitabilmente si verificano nel risonatore sono simultaneamente compensate dalla sorgente laser accoppiata interferometricamente, un solitone può in linea di principio circolare all'infinito nel risonatore. Inoltre, i ricercatori hanno sviluppato un metodo altamente efficiente per controllare l'energia immessa nel solitone della cavità. In combinazione, queste misure hanno permesso al team di comprimere la durata degli impulsi in ingresso di quasi un ordine di grandezza a 37 femtosecondi, migliorando la loro potenza di picco di un fattore di 3200.

Questa tecnologia di risonatore potenziato apre nuove opportunità per la generazione di treni di impulsi ad attosecondi ultravioletti estremi (XUV) ad alta precisione (un attosecondo dura un miliardesimo di miliardesimo di secondo). Ciò a sua volta potrebbe consentire ai ricercatori di caratterizzare la dinamica dei processi subatomici - e in particolare di osservare i movimenti degli elettroni - in modo ancora più dettagliato di quanto fosse possibile finora.

"Negli ultimi anni, siamo stati in grado di rendere disponibili i vantaggi unici dei risonatori di potenziamento per gli esperimenti nella fisica degli attosecondi. Questa nuova tecnica apre la strada ad ulteriori significativi progressi nella potenza degli impulsi e nella stabilità ottenibili con tali sistemi, riducendo allo stesso tempo la complessità del setup sperimentale, "dice il dottor Ioachim Pupeza, capogruppo del gruppo responsabile del nuovo lavoro nel PAL. Questi miglioramenti sarebbero utili anche nel contesto della spettroscopia a pettine di frequenza XUV, che è fondamentale per lo sviluppo di una nuova generazione di orologi ottici basati su transizioni quantistiche nei nuclei atomici.