La generazione ad alta armonica (HHG) è un fenomeno ottico non lineare attraverso il quale vengono generate alte armoniche di un raggio laser intenso in un materiale bersaglio, tipicamente un gas. I fisici studiano da decenni l'HHG nei gas atomici, ma più recentemente un team di ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory ha iniziato a studiare questo processo nei solidi.

Uno dei vantaggi nell'utilizzo di obiettivi solidi è la generazione più efficiente, a causa dell'elevata densità di interazione. Il primo esperimento è stato eseguito su un cristallo di ossido di zinco, con l'osservazione di armoniche fino a 25 ^ns ordini. Da allora, HHG è stato osservato con successo in diversi dielettrici, compreso un quarzo di cristallo di ossido di magnesio.

Uno degli ultimi esempi di ciò deriva da uno sforzo collaborativo che coinvolge un team di ricercatori dei Sandia National Laboratories, Università di Tsinghua, Laboratorio nazionale degli acceleratori SLAC, l'Università del New Mexico e la North Carolina State University. Nella loro carta, pubblicato in Fisica della natura , hanno riferito che HHG derivante da una bassa perdita, film sottile di ossido di cadmio drogato con indio, che è stato ottenuto sfruttando l'effetto epsilon-near-zero (ENZ) del materiale.

"La storia di questa ricerca risale alle nostre vaste attività nei materiali e nei fenomeni epsilon-near-zero, "Igal Brener e Yuanmu Yang, due dei ricercatori coautori dello studio, detto a Phys.org via e-mail.

materiali ENZ, come il film utilizzato dai ricercatori, sono una nuova classe di materiali con una permittività nulla (cioè uguale a zero) a una certa lunghezza d'onda (cioè frequenza). Studi recenti suggeriscono che mostrano anche efficienze non lineari ultraveloci all'interno delle loro lunghezze di propagazione sub-lunghezza d'onda.

Una delle conseguenze dell'azzeramento della permittività di questi materiali a una lunghezza d'onda predeterminata è che quando si brillano film sottili ENZ nelle giuste condizioni (cioè angolo, polarizzazione), i campi ottici all'interno di questi film sono notevolmente migliorati (con un rapporto da 10 a 100X). Ciò significa che qualsiasi fenomeno che si basa sull'intensità di questi campi, come non linearità ottiche, dovrebbe essere notevolmente potenziato.

"Avevamo fatto alcuni esperimenti ottici non lineari precedenti (cioè la generazione di armoniche) in altri materiali ENZ (ITO) e abbiamo visto alcune indicazioni di maggiori efficienze; ​​così hanno fatto un paio di altri gruppi di ricerca, Brener e Yang hanno detto. "CdO altamente drogato (materiale coltivato dal coautore Jon-Paul Maria) è un materiale ENZ molto superiore (maggiore mobilità degli elettroni che si traduce in minori perdite ottiche e maggiori miglioramenti del campo ottico). Perciò, volevamo studiare HHG in questi film."

Negli ultimi anni, c'è stato un crescente interesse nel trovare nuovi modi per produrre impulsi ad attosecondi, soprattutto in una configurazione sperimentale compatta, cioè., sostituendo i grandi tubi del gas e i costosi sistemi laser ad alta intensità in cui oggi vengono generati questi impulsi. Nel loro studio, Brener, Yang e i loro colleghi hanno deciso di esplorare ulteriormente questa possibilità, utilizzando una bassa perdita, film sottile di ossido di cadmio drogato con indio.

Il campione utilizzato nei loro esperimenti è costituito da un film sottile (75 nm) di CdO altamente drogato con una frequenza del plasma che si trova alla lunghezza d'onda equivalente di ~ 2 um, che è la lunghezza d'onda ENZ. Questo campione è cresciuto su MgO e ha uno strato superiore di metallo introdotto per creare quello che è noto come "assorbimento perfetto".

I ricercatori hanno illuminato il loro campione con brevi impulsi a 2,08 um dal substrato con incidenza obliqua e polarizzazione p. Hanno quindi misurato le armoniche generate sul percorso ottico riflesso utilizzando spettrometri e rilevatori UV-Vis standard.

"A causa dell'assorbimento del supporto, in questa configurazione di riflessione, siamo stati in grado di misurare solo fino alla nona armonica; questa è la lunghezza d'onda più corta che possiamo misurare, " Brener e Yang hanno spiegato. "In futuro, i campioni senza lo strato superiore in oro potrebbero essere provati nella geometria della trasmissione in modo che questo problema possa essere mitigato.

Nel loro studio, i ricercatori hanno osservato che le armoniche assistite da ENZ mostravano un pronunciato redshift spettrale e un allargamento della larghezza di linea. Questo era il risultato del riscaldamento degli elettroni fotoindotto e della conseguente lunghezza d'onda ENZ dipendente dal tempo del materiale utilizzato.

La comunità scientifica degli attosecondi è interessata ai materiali che mostrano questo comportamento, in quanto potrebbe potenzialmente migliorare il modo in cui vengono generati questi impulsi specializzati. Sostituendo il gas utilizzato negli impianti tipici con un materiale solido, come un sottile film di ossido di cadmio, consentirebbe ai ricercatori di osservare alcuni degli eventi più veloci in natura in modo più semplice, modo meno costoso e possibilmente più dettagliato.

Rispetto alle osservazioni raccolte in altri esperimenti con materiali allo stato solido, le armoniche ottenute dai ricercatori hanno richiesto circa due ordini di grandezza in meno di potenza ottica della pompa. Perciò, il materiale e il processo utilizzati semplificano notevolmente l'hardware necessario per la spettroscopia HHG e ad attosecondi.

Un'ulteriore scoperta interessante del loro studio è che la non linearità ottica deriva dagli elettroni presenti nel CdO altamente drogato e dalla natura della struttura a bande del CdO. La combinazione del pompaggio ottico alla lunghezza d'onda ENZ e la natura della non linearità che dà origine a HHG potrebbe offrire una guida per ulteriori miglioramenti, informando anche la ricerca di altri materiali che mostrano un comportamento simile.

Per i membri della collaborazione che lavorano in Sandia, questa ricerca nasce da un più ampio interesse per l'ottica non lineare, che intendono continuare a studiare in altri modi. Ad esempio, Sandia ha già esplorato un fenomeno correlato in cui la luce che passa attraverso l'ossido di cadmio diventa più di 10 volte più luminosa all'interno del materiale. Nel loro lavoro, hanno usato questo effetto per costruire un interruttore ottico ad alto contrasto che potrebbe eventualmente aiutare ad accelerare le comunicazioni ottiche.

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