Исследователи из Корнелла разработали наноструктуры, которые позволяют рекордно преобразовывать лазерные импульсы в генерацию высоких гармоник, открывая путь для новых научных инструментов для получения изображений с высоким разрешением и изучения физических процессов, которые происходят в масштабе аттосекунды. – одна квинтиллионная доля секунды.

Генерация высоких гармоник долгое время использовалась для объединения фотонов импульсного лазера в один ультракороткий фотон с гораздо более высокой энергией, создавая экстремальный ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи, используемые в различных научных целях. Традиционно в качестве источников гармоник использовались газы, но исследовательская группа во главе с Геннадием Швецом, профессором прикладной и инженерной физики Инженерного колледжа, показала, что у инженерных наноструктур есть блестящее будущее для этого приложения.

Исследование подробно описано в статье «Генерация четных и нечетных высоких гармоник в резонансных метаповерхностях с использованием одиночных и множественных сверхинтенсивных лазерных импульсов» опубликованной 7 июля в Nature Communications . Максим Щербаков, который проводил исследование в качестве постдокторанта Корнелла, прежде чем стать доцентом Калифорнийского университета в Ирвине, является ведущим автором.

Наноструктуры, созданные командой, составляют сверхтонкую резонансную метаповерхность из фосфида галлия, которая преодолевает многие обычные проблемы, связанные с генерацией высоких гармоник в газах и других твердых телах. Материал из фосфида галлия допускает гармоники всех порядков без их повторного поглощения, а специализированная структура может взаимодействовать со всем световым спектром лазерного импульса.

«Достижение этого потребовало проектирования структуры метаповерхности с использованием полноволнового моделирования», – сказал Щербаков. «Мы тщательно выбрали параметры частиц фосфида галлия, чтобы выполнить это условие, и затем потребовался специальный поток нанотехнологий, чтобы выявить его».

Результатом являются наноструктуры, способные генерировать как четные, так и нечетные гармоники – ограничение большинства других гармонических материалов – охватывающих широкий диапазон энергий фотонов от 1,3 до 3 электрон-вольт. Рекордная эффективность преобразования позволяет ученым наблюдать молекулярную и электронную динамику в материале с помощью всего одного лазерного импульса, помогая сохранить образцы, которые в противном случае могут быть разрушены несколькими мощными выстрелами.

Это первое исследование, в котором было обнаружено излучение с высокой гармоникой, генерируемое одиночным лазерным импульсом, что позволило метаповерхности выдерживать высокие мощности – в 5-10 раз выше, чем ранее показывалось на других метаповерхностях.

«Это открывает новые возможности для изучения материи в сверхсильных полях, режим, который раньше был недоступен», – сказал Щербаков. «С помощью нашего метода мы предполагаем, что люди могут изучать материалы за пределами метаповерхностей, включая, помимо прочего, кристаллы, 2D-материалы, отдельные атомы, искусственные атомные решетки и другие квантовые системы».

Теперь, когда исследовательская группа продемонстрировала преимущества использования наноструктур для генерации высоких гармоник, она надеется улучшить устройства и оборудование для высоких гармоник путем объединения наноструктур вместе, чтобы заменить твердотельный источник, такой как кристаллы.

Соавторами являются исследователи из Корнелла Чжиюань Фан и Джованни Сарторелло, а также исследователи из Университета штата Огайо и Института исследования материалов и инженерии в Сингапуре.

Исследование финансировалось Управлением военно-морских исследований, Корнельским центром исследования материалов в рамках программы Центров исследования материалов и инженерии Национального научного фонда, а также Управлением научных исследований ВВС США.

Источник: https://www.cornell.edu/[19459007visible