Gli scienziati di DESY e MPSD hanno creato armoniche di ordine elevato da solidi con stati di polarizzazione controllati, sfruttando sia la simmetria del cristallo che la dinamica elettronica ad attosecondi. La tecnica appena dimostrata potrebbe trovare interessanti applicazioni nell'elettronica dei petahertz e negli studi spettroscopici di nuovi materiali quantistici.

Il processo non lineare di generazione di armoniche di ordine elevato (HHG) nei gas è uno dei capisaldi della scienza degli attosecondi. Un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo) ed è ampiamente utilizzato in molte aree della scienza, compresa la fisica, chimica e biologia. Questo fenomeno di forte campo converte molti fotoni a bassa energia da un intenso impulso laser in un fotone di energia molto più alta. Considerando che il processo HHG è ben compreso nei gas atomici e molecolari, il meccanismo alla base della conversione di frequenza nei materiali solidi è attualmente ancora oggetto di controversie scientifiche.

Combinando esperimenti HHG e simulazioni teoriche all'avanguardia, scienziati del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) e del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) presso il Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) di Amburgo ora introducono la spettroscopia ad alta armonica risolta dallo stato di polarizzazione di solidi, che consente approfondimenti sulle dinamiche sia elettroniche che strutturali che si verificano su scale temporali più brevi di un'oscillazione del campo luminoso. Il loro lavoro è ora pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

I campi armonici emessi possono oscillare in modo lineare, oppure possono ruotare ellitticamente o circolarmente con orientamento orario o antiorario (la cosiddetta elicità) – proprio come una vite di luce. Gli scienziati ora rivelano come gli stati di polarizzazione delle armoniche e la loro manualità codificano informazioni preziose sulla struttura cristallina e sulla dinamica ultraveloce del campo forte, e come possono essere controllati gli stati di polarizzazione delle armoniche. Inoltre, poiché le armoniche vengono create all'interno di un singolo periodo del campo di guida incidente, il metodo viene intrinsecamente con una risoluzione temporale del ciclo sub-ottico.

Il presente lavoro indaga i materiali prototipo silicio e quarzo per stabilire la nuova tecnica spettroscopica. Eppure il metodo è versatile e si prevede che troverà importanti applicazioni negli studi futuri di nuovi materiali quantistici come materiali fortemente correlati, isolanti topologici, e materiali magnetici.