Fino ad ora, erano necessarie complesse apparecchiature sperimentali per misurare la forma di un impulso luminoso. Una squadra di TU Wien (Vienna), MPI Garching e LMU Munich ora hanno reso tutto questo molto più semplice.

Oggi, i laser moderni possono generare impulsi luminosi estremamente brevi, che può essere utilizzato per un'ampia gamma di applicazioni, dall'analisi dei materiali alla diagnostica medica. Per questo scopo, è importante misurare la forma dell'onda di luce laser con elevata precisione. Fino ad ora, questo ha richiesto un grande, complesso apparato sperimentale. Ora questo può essere fatto con un minuscolo cristallo con un diametro inferiore a un millimetro. Il nuovo metodo è stato sviluppato dall'MPI per l'ottica quantistica a Garching, la LMU Monaco e la TU Wien (Vienna). L'anticipo ora aiuterà a chiarire importanti dettagli sull'interazione tra luce e materia.

Guardare la luce con gli elettroni

Sono stati studiati impulsi luminosi estremamente brevi con una durata dell'ordine dei femtosecondi (10-15 secondi). "Per creare un'immagine di tali onde luminose, devono essere fatti interagire con gli elettroni, " afferma il prof. Joachim Burgdörfer dell'Istituto di fisica teorica della TU Wien. "La reazione degli elettroni al campo elettrico del laser ci fornisce informazioni molto precise sulla forma dell'impulso luminoso".

In precedenza, il modo comune per misurare un impulso laser a infrarossi consisteva nell'aggiungere un impulso laser molto più corto con una lunghezza d'onda nell'intervallo dei raggi X. Entrambi gli impulsi vengono inviati attraverso un gas. L'impulso a raggi X ionizza i singoli atomi, gli elettroni vengono rilasciati, che vengono poi accelerati dal campo elettrico dell'impulso laser infrarosso. Si registra il moto degli elettroni, e se l'esperimento viene eseguito molte volte con diversi sfasamenti temporali tra i due impulsi, la forma dell'impulso laser infrarosso può essere eventualmente ricostruita. "Lo sforzo sperimentale richiesto per questo metodo è molto alto, " afferma il Prof. Christoph Lemell (TU Vienna). "È necessaria una configurazione sperimentale complicata, con sistemi di vuoto, molti elementi ottici e rivelatori."

Misurazione in minuscoli cristalli di ossido di silicio

Per aggirare tali complicazioni, l'idea è nata per misurare gli impulsi luminosi non in un gas ma in un solido:"In un gas devi prima ionizzare gli atomi per ottenere elettroni liberi. In un solido è sufficiente dare agli elettroni abbastanza energia perché possano muoversi attraverso il solido, guidato dal campo laser, " dice Isabella Floss (TU Vienna). Questo genera una corrente elettrica che può essere misurata direttamente.

A tale scopo vengono utilizzati minuscoli cristalli di ossido di silicio con un diametro di poche centinaia di micrometri. Sono colpiti da due diversi impulsi laser:L'impulso che deve essere studiato può avere qualsiasi lunghezza d'onda che va dalla luce ultravioletta e dai colori visibili all'infrarosso a onde lunghe. Mentre questo impulso laser penetra nel cristallo, un altro impulso infrarosso viene sparato sul bersaglio. "Questo secondo impulso è così forte che gli effetti non lineari nel materiale possono cambiare lo stato energetico degli elettroni in modo che diventino mobili. Questo accade in un momento molto specifico, che può essere sintonizzato e controllato in modo molto preciso, " spiega Joachim Burgdörfer.

Non appena gli elettroni possono muoversi attraverso il cristallo, sono accelerati dal campo elettrico del primo raggio. Questo produce una corrente elettrica che viene misurata direttamente sul cristallo. Questo segnale contiene informazioni precise sulla forma dell'impulso luminoso.

Molte possibili applicazioni

A TU Vienna, l'effetto è stato studiato teoricamente e analizzato in simulazioni al computer. L'esperimento è stato eseguito presso il Max Planck Institute for Quantum Optics a Garching. "Grazie alla stretta collaborazione tra teoria ed esperimento, abbiamo potuto dimostrare che il nuovo metodo funziona molto bene, su un'ampia gamma di frequenze, dall'ultravioletto all'infrarosso, " dice Christoph Lemell. "La forma d'onda degli impulsi luminosi può ora essere misurata molto più facilmente di prima, con l'aiuto di una configurazione molto più semplice e compatta."

Il nuovo metodo apre molte interessanti applicazioni:dovrebbe essere possibile caratterizzare con precisione nuovi materiali, rispondere a domande fisiche fondamentali sull'interazione tra luce e materia, e anche per analizzare molecole complesse, ad esempio, per rilevare in modo affidabile e rapido le malattie esaminando piccoli campioni di sangue.