Forskare vid MPSD och CFEL har visat möjligheten att använda en ny vred för att styra och optimera genereringen av högordens övertoner i bulkmaterial, en av de viktigaste fysiska processerna för att generera högenergifoton och för den ultrasnabba manipulationen av information.

Generationen av överordnade övertoner i gaser används numera rutinmässigt inom många olika vetenskapsområden, allt från fysik, till kemi och biologi. Detta fält med starkt fält består i att omvandla många lågenergifoton som kommer från en mycket stark laser, till färre fotoner med högre energi. Trots det växande intresset för detta fenomen för fasta ämnen, mekanismen bakom omvandling av ljus är fortfarande under debatt för fasta material.

Forskare från MPSD (Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter) och CFEL (Center for Free-Electron Laser Science) i Hamburg använde toppmoderna teoretiska simuleringsverktyg för att främja den grundläggande förståelsen av detta fenomen i fasta ämnen . Deras arbete publiceras i Nature Communications.

När atomer och molekyler interagerar med starka laserpulser, de avger högordna övertoner i det grundläggande drivande laserfältet. Den högharmoniska generationen (HHG) i gaser används numera regelbundet för att producera isolerade attosekundpulser och koherent strålning som sträcker sig från synliga till mjuka röntgenstrålar. På grund av en högre elektronisk densitet, fasta ämnen är en lovande väg mot kompakt, ljusare HHG -källor. Dock, deras användning hindras för närvarande av bristen på en mikroskopisk förståelse av mekanismen som leder till HHG från fasta ämnen.

Forskare vid MPSD och CFEL har nu visat att, genom att använda elliptiskt polariserat körljus, det är möjligt att reda ut det komplexa samspelet mellan de två mekanismerna som är ansvariga för HHG i fasta ämnen. Med hjälp av omfattande första-princip-simuleringar har de visat hur dessa två mekanismer påverkas starkt och olika av ellipticiteten hos det drivande laserfältet.

Det komplexa samspelet mellan dessa effekter kan användas för att ställa in och förbättra harmoniska utsläpp i fasta ämnen. Särskilt, de har visat att den maximalt erhållna fotonenergin kan ökas med så mycket som 30% med en ändlig ellipticitet hos det drivande laserfältet.

De demonstrerade också möjligheten att generera cirkulärt polariserade övertoner med växlande helicitet från ett enda cirkulärt polariserat drivfält, därmed öppnas en ny väg för en bättre förståelse och kontroll av HHG i fasta ämnen baserat på ellipticitet, med spännande nya möjligheter inom spektroskopi av magnetiska material. Deras arbete visar att ellipticitet ger en extra vred för att experimentellt styra högordens harmonisk produktion i fasta ämnen.