I ricercatori di Cornell hanno sviluppato nanostrutture che consentono una conversione da record di impulsi laser in una generazione di armoniche elevate, aprendo la strada a nuovi strumenti scientifici per l'imaging ad alta risoluzione e lo studio dei processi fisici che si verificano alla scala di un attosecondo.

La generazione di alte armoniche è stata a lungo utilizzata per unire i fotoni di un laser pulsante in uno, fotone ultracorto con energia molto più alta, producendo luce ultravioletta estrema e raggi X utilizzati per una varietà di scopi scientifici. Tradizionalmente, gas sono stati utilizzati come sorgenti di armoniche, ma un gruppo di ricerca guidato da Gennady Shvets, professore di fisica applicata e ingegneristica presso il College of Engineering, ha dimostrato che le nanostrutture ingegnerizzate hanno un brillante futuro per questa applicazione.

La ricerca è dettagliata nel documento "Generation of Even and Odd High Harmonics in Resonant Metasurfaces Using Single and Multiple Ultra-Intense Laser Pulses, " pubblicato il 7 luglio in Comunicazioni sulla natura . Maxim Shcherbakov, che ha condotto la ricerca come associato post-dottorato Cornell prima di diventare un assistente professore presso l'Università della California, Irvine, è l'autore principale.

Le nanostrutture create dal team costituiscono una metasuperficie ultrasottile e risonante di fosfuro di gallio che supera molti dei soliti problemi associati alla generazione di alte armoniche nei gas e in altri solidi. Il materiale fosfuro di gallio permette armoniche di tutti gli ordini senza riassorbirle, e la struttura specializzata può interagire con l'intero spettro luminoso dell'impulso laser.

"Raggiungere questa ingegneria richiesta della struttura della metasuperficie utilizzando simulazioni a onda intera, " ha detto Shcherbakov. "Abbiamo accuratamente selezionato i parametri delle particelle di fosfuro di gallio per soddisfare questa condizione, e poi ci è voluto un flusso di nanofabbricazione personalizzato per portarlo alla luce."

Il risultato sono nanostrutture in grado di generare armoniche sia pari che dispari, una limitazione della maggior parte degli altri materiali armonici, che coprono un'ampia gamma di energie dei fotoni tra 1,3 e 3 elettronvolt. L'efficienza di conversione da record consente agli scienziati di osservare le dinamiche molecolari ed elettroniche all'interno di un materiale con un solo colpo laser, aiutando a preservare campioni che potrebbero altrimenti essere degradati da più colpi ad alta potenza.

Lo studio è il primo ad osservare la radiazione generata ad alta armonica da un singolo impulso laser, che ha permesso alla metasuperficie di resistere a potenze elevate, da cinque a 10 volte superiori a quelle precedentemente mostrate in altre metasuperfici.

"Apre nuove opportunità per studiare la materia a campi ultraelevati, un regime non facilmente accessibile prima, " disse Shcherbakov. "Con il nostro metodo, immaginiamo che le persone possano studiare materiali oltre le metasuperfici, inclusi ma non limitati a cristalli, materiali 2D, singoli atomi, reticoli atomici artificiali e altri sistemi quantistici."

Ora che il team di ricerca ha dimostrato i vantaggi dell'utilizzo di nanostrutture per la generazione di alte armoniche, spera di migliorare i dispositivi e le strutture ad alta armonica impilando le nanostrutture insieme per sostituire una fonte a stato solido, come i cristalli.