Яркий сжатый вакуум сгенерировал высокие гармоники

Физики сгенерировали высокие гармоники в магний-легированном ниобате лития (Mg:LiNbO₃) и в аморфном кремнии (a-Si) при помощи макроскопического квантового состояния света — сжатого яркого вакуума. Такая генерация оказалась примерно в пять раз более эффективной, чем стандартная генерация гармоник когерентным светом. Статья опубликована в Nature Physics.

Генерация высоких гармоник лежит в основе многих фундаментальных исследований и практических приложений. Например, она применяется для получения аттосекундных импульсов (за это в прошлом году вручили Нобелевскую премию). Обычно высокие гармоники получают путем накачки образца при помощи лазеров — когерентным светом. Однако эффективность такой накачки ограничена различными факторами, например, энергией фотонов, насыщением и потерей фазовой синхронизации. Эффективность генерации можно было бы повысить, используя сжатые состояния света. Ученые уже применяют такие состояния, например, в фотонном процессоре. Более подробно про сжатые состояния света читайте в нашем материале «Точилка для квантового карандаша». Однако в приложении к генерации высоких гармоник использование сжатых состояний света до сих пор рассматривалось лишь теоретически.

Группа ученых из Германии, Израиля и Канады под руководством Марии Чеховой (Maria Chekhova) и Франческо Тани (Francesco Tani) из Института науки о свете Общества Макса Планка сгенерировала высокие гармоники в твердых телах при помощи квантового состояния света — сжатого яркого вакуума. Для этого они использовали образцы магний-легированного ниобата лития и аморфного кремния, в которых генерировали высокие гармоники при помощи классического и квантового метода.

В качестве лазера накачки в обоих методах физики использовали одну и ту же оптическую титан-сапфировую лазерную систему с центральной длиной волны 800 нанометров, шириной импульса 45 фемтосекунд и частотой повторений один килогерц. Комбинируя эту систему с фемтосекундным оптическим параметрическим усилителем, ученые получали классический когерентный свет для генерации высоких гармоник. Для получения квантового состояния света ученые параллельно классической схеме пропускали луч лазера через кристалл β-бората бария толщиной три миллиметра, а затем отражали полученное состояние обратно в тот же кристалл с помощью плоского серебряного зеркала для выявления основной пространственной гармоники квантового состояния света. В результате ученые получали квантовую суперпозицию состояний с четным числом фотонов — сжатый яркий вакуум.

Физики облучали образцы при помощи обоих методов и наблюдали за генерацией высоких гармоник в них. В результате ученые обнаружили, что при одинаковой интенсивности накачки генерация гармоник квантовым состоянием света эффективнее в 5–15 раз в зависимости от порядка гармоники. Более того, ученые показали, что при повышении интенсивности накачки генерация классическим методом может привести к оптическому повреждению образцов, в то время как квантовое состояние света не вредит образцам.

О том зачем ученые и, в том числе нобелевские лауреаты прошлого года, стремятся получить более высокие гармоники и короткие импульсы, читайте в нашем материале «Импульс укорачивать».