La direzione e il monitoraggio del movimento guidato dalla luce degli elettroni all'interno della materia sulla scala temporale di un singolo ciclo ottico è una sfida chiave nell'elettronica delle onde luminose ultraveloci e nella lavorazione dei materiali basata sul laser. I fisici del Max Born Institute di Berlino e dell'Università di Rostock hanno ora rivelato un meccanismo ottico non lineare finora trascurato che emerge dal tunneling indotto dalla luce degli elettroni all'interno dei dielettrici. Per intensità prossime alla soglia di danno materiale, la corrente non lineare che si verifica durante il tunneling diventa la fonte dominante di esplosioni luminose luminose, che sono armoniche di ordine basso della radiazione incidente. Questi risultati, che sono appena stati pubblicati in Fisica della natura , ampliare in modo significativo sia la comprensione fondamentale della non linearità ottica nei materiali dielettrici sia il suo potenziale per le applicazioni nell'elaborazione delle informazioni e nell'elaborazione dei materiali basati sulla luce.

La nostra attuale comprensione dell'ottica non lineare a intensità luminose moderate si basa sulla cosiddetta non linearità di Kerr, che descrive lo spostamento non lineare di elettroni strettamente legati sotto l'influenza di un campo di luce ottica incidente. Questa immagine cambia drasticamente quando l'intensità di questo campo luminoso è sufficientemente alta da espellere gli elettroni legati dal loro stato fondamentale. A lunghe lunghezze d'onda del campo di luce incidente, questo scenario è associato al fenomeno del tunneling, un processo quantistico in cui un elettrone compie un transito classicamente proibito attraverso una barriera formata dall'azione combinata della forza luminosa e del potenziale atomico.

Dagli anni '90 e pioniere degli studi dello scienziato canadese François Brunel, il moto degli elettroni che sono emersi alla "fine del tunnel, " che avviene con la massima probabilità sulla cresta dell'onda luminosa, è stata considerata una fonte importante di non linearità ottica. Questa immagine ora è cambiata radicalmente. "Nel nuovo esperimento sul vetro, potremmo dimostrare che la corrente associata al processo di tunneling meccanico quantistico stesso crea una non linearità ottica che supera il tradizionale meccanismo di Brunel, " spiega il dottor Alexandre Mermillod-Blondin del Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy, che ha supervisionato l'esperimento. Nell'esperimento, due impulsi di luce ultracorti con diverse lunghezze d'onda e direzioni di propagazione leggermente diverse sono stati focalizzati su una sottile lastra di vetro, ed è stata eseguita un'analisi risolta in tempo e frequenza dell'emissione di luce emergente.

L'identificazione del meccanismo responsabile di questa emissione è stata resa possibile da un'analisi teorica delle misurazioni che è stata eseguita dal gruppo del Prof. Thomas Fennel, che lavora all'Università di Rostock e al Max Born Institute nell'ambito di una cattedra DFG Heisenberg. "L'analisi dei segnali misurati in termini di una quantità che abbiamo chiamato la non linearità effettiva è stata la chiave per distinguere il nuovo meccanismo della corrente di ionizzazione da altri possibili meccanismi e per dimostrarne il predominio, " spiega Finocchio.

Studi futuri che utilizzano questa conoscenza e il nuovo metodo metrologico sviluppato nel corso di questo lavoro potrebbero consentire ai ricercatori di risolvere e guidare temporalmente la ionizzazione a campo forte e le valanghe nei materiali dielettrici con una risoluzione senza precedenti, in definitiva possibilmente sulla scala temporale di un singolo ciclo di luce.