L'interferometro fornisce la coppia di impulsi HH coerenti e l'impulso della sonda TH. Credito:Scienza Ultraveloce
Un team di ricerca del centro RIKEN per la fotonica avanzata e dell'Università di Tokyo ha sviluppato un nuovo tipo di interferometro per risolvere i margini derivanti sia dall'interferenza ottica degli impulsi di attosecondi che dall'interferenza quantistica degli stati elettronici in una materia. Hanno dimostrato la fattibilità del loro interferometro mediante la divisione post-generazione dell'impulso armonico di ordine superiore con un esperimento che utilizza un campione di atomo di elio. Presentano il loro lavoro sulla rivista Ultrafast Science .
L'interferenza di tipo Ramsey tra più stati quantistici nel dominio del tempo è una delle tecniche cruciali per studiare la dinamica quantistica in una materia. Ancora più importante, è necessaria un'energia fotonica molto più elevata per risolvere dinamiche molto più veloci in questa tecnica di interferenza, perché il periodo marginale dell'interferenza è inversamente proporzionale all'energia del fotone.
Di conseguenza, l'energia del fotone di oltre 20 eV, che è equivalente alla regione della lunghezza d'onda nell'ultravioletto estremo (XUV), è necessaria per risolvere la dinamica quantistica nel regime di attosecondi. L'impulso armonico di ordine elevato (HH) di un intenso impulso laser a femtosecondi infrarosso-visibile è una sorgente di luce promettente per questa tecnica.
"Tuttavia, è stato molto difficile generare una coppia di impulsi HH coerenti", afferma Nabekawa di RIKEN. "Perché non possiamo fabbricare un mezzo specchio nella regione della lunghezza d'onda XUV come di solito è fabbricato nella regione della lunghezza d'onda visibile". Finora, i ricercatori hanno utilizzato una coppia di impulsi coerenti di femtosecondi fondamentali forniti da un interferometro convenzionale prima di generare l'impulso HH.
"Il ritardo tra la coppia di impulsi non può avvicinarsi a 0", afferma Nabekawa, sottolineando uno svantaggio dello schema convenzionale. "Ciò è dovuto alla forte perturbazione del processo altamente non lineare della generazione HH alla sovrapposizione temporale della coppia di impulsi laser fondamentale".
Il team di ricerca ha risolto questo problema inserendo un interferometro di nuova concezione dietro il generatore HH per dividere direttamente l'impulso HH in una coppia. In questo interferometro, l'impulso HH è diviso spazialmente con riflessioni vicino o attorno ai confini di due specchi Si configurati in parallelo situati il più vicino possibile.
Pertanto, l'interferenza della coppia HH emerge nel profilo spaziale della coppia di impulsi HH focalizzata. "[L'idea] chiave è che raccogliamo gli atomi solo nella regione in cui la coppia di impulsi HH interferisce spazialmente", spiega Matsubara da U. Tokyo. "Per fare ciò, abbiamo focalizzato strettamente l'impulso di terza armonica (TH) nella regione di interferenza della coppia di impulsi HH come impulso sonda".
Frange di interferenza di attosecondi che appaiono sullo spettro di elettroni 2p dell'atomo di elio. Credito:Scienza Ultraveloce
Nell'esperimento, l'impulso TH viene separato davanti all'interferometro HH, passa attraverso un interferometro di tipo Mach-Zehnder con ritardo regolabile e viene combinato con la coppia di impulsi HH. La coppia di impulsi HH e l'impulso TH di copropagazione sono focalizzati in un getto di gas elio iniettato in uno spettrometro elettronico, che registra le distribuzioni angolari e gli spettri di energia cinetica degli elettroni staccati dagli atomi di elio con ionizzazione.
Un atomo di elio nello stato elettronico di base viene eccitato allo stato 2p assorbendo un fotone del 13° impulso HH e quindi fotoionizzato dall'impulso della sonda TH irradiato circa 184 fs dopo. "Abbiamo chiaramente distinto lo spettro di elettroni 2p dagli altri spettri di elettroni analizzando la distribuzione angolare", afferma Ishikawa di U. Tokyo, responsabile del calcolo ab initio full-dimensional a due elettroni della distribuzione angolare degli elettroni 2p.
La resa degli elettroni 2p è modulata in base al ritardo di scansione tra i due impulsi HH. Il periodo di modulazione è stato 200 come, equivalente all'inverso dell'energia di eccitazione allo stato 2p, 21,2 eV. Questa è la prova dell'interferenza di tipo Ramsey nel regime degli attosecondi. "Le frange di interferenza continuano dal tempo di ritardo 0 al tempo di ritardo molto più lungo del tempo di coerenza del 13° impulso HH. Questa è la transizione senza interruzioni dall'interferenza ottica degli impulsi XUV all'interferenza quantistica degli stati elettronici mai osservata prima ", dice Nabekawa.
Matsubara afferma che "questo nuovo approccio dovrebbe facilitare l'indagine sull'evoluzione temporale ultraveloce della coerenza tra stati elettronici accoppiati con la dinamica nucleare in una molecola". + Esplora ulteriormente
