Pacchetti stabili di onde luminose, chiamati solitoni ottici, vengono emessi nei laser a impulsi ultracorti come una catena di lampi di luce. Questi solitoni spesso si combinano in coppie con una separazione temporale molto breve. Introducendo le vibrazioni atomiche nella gamma dei terahertz, i ricercatori delle università di Bayreuth e Wrocław hanno ora risolto il puzzle di come si formano questi legami temporali. Riferiscono sulla loro scoperta in Nature Communications . La dinamica dei pacchetti di luce accoppiati può essere utilizzata per misurare le vibrazioni atomiche come "impronte digitali" caratteristiche dei materiali in modo estremamente veloce.

Nei laser a impulsi ultracorti, i solitoni ottici possono formare legami spaziali e temporali particolarmente stretti. Queste sono anche chiamate "molecole di solitoni" ultracorte perché sono stabilmente accoppiate tra loro, in modo simile agli atomi chimicamente legati di una molecola. Il gruppo di ricerca di Bayreuth ha utilizzato un laser a stato solido ampiamente utilizzato fatto di un cristallo di zaffiro drogato con atomi di titanio per scoprire come si verifica questo accoppiamento. Innanzitutto, un singolo lampo di luce principale stimola gli atomi nel reticolo cristallino dello zaffiro a vibrare istantaneamente. Questo movimento caratteristico oscilla nell'intervallo dei terahertz e decade nuovamente entro pochi picosecondi (un picosecondo corrisponde a un trilionesimo di secondo). In questo arco di tempo estremamente breve, l'indice di rifrazione del cristallo cambia. Quando un secondo lampo di luce segue immediatamente e raggiunge il primo, avverte questo cambiamento:non solo è leggermente influenzato dalle vibrazioni atomiche, ma può anche essere legato stabilmente al solitone precedente. Nasce una "molecola di solitoni".

"Il meccanismo che abbiamo scoperto si basa sugli effetti fisici della diffusione Raman e dell'auto-focalizzazione. Spiega una varietà di fenomeni che hanno sconcertato la scienza dall'invenzione dei laser allo zaffiro al titanio oltre 30 anni fa. Ciò che è particolarmente eccitante della scoperta è che ora possiamo sfruttare la dinamica dei solitoni durante la loro generazione nella cavità laser per scansionare i legami atomici nei materiali in modo estremamente rapido. L'intera misurazione di un cosiddetto spettro Raman intracavità richiede ora meno di un millesimo di secondo. Questi risultati possono aiutare per sviluppare microscopi chimicamente sensibili particolarmente veloci che possono essere utilizzati per identificare i materiali. Inoltre, il meccanismo di accoppiamento apre nuove strategie per controllare gli impulsi luminosi mediante i movimenti atomici e, al contrario, per generare stati materiali unici mediante impulsi luminosi", spiega il professore junior Dr. .Georg Herink, capo dello studio e professore junior di dinamica ultraveloce all'Università di Bayreuth.

Parallelamente all'analisi dei dati sperimentali, i ricercatori sono riusciti a sviluppare un modello teorico per la dinamica dei solitoni. Il modello permette di spiegare le osservazioni ottenute negli esperimenti e di prevedere nuovi effetti delle vibrazioni atomiche sulla dinamica dei solitoni. Le interazioni dei solitoni nei sistemi ottici e le loro applicazioni per la spettroscopia ad alta velocità sono attualmente oggetto di studio nel progetto di ricerca DFG FINTEC presso l'Università di Bayreuth. + Esplora ulteriormente

Separati solo da quadrilionesimi di secondo:lampi di luce ultracorti combinati in modo preciso e rapido