Att styra och övervaka den ljusdrivna rörelsen hos elektroner inuti materia på tidsskalan för en enda optisk cykel är en nyckelutmaning inom ultrasnabb ljusvågselektronik och laserbaserad materialbearbetning. Fysiker från Max Born Institute i Berlin och University of Rostock har nu avslöjat en hittills förbisedd olinjär optisk mekanism som kommer fram från den ljusinducerade tunneln av elektroner inuti dielektrikum. För intensiteter nära materialskadegränsen, den olinjära strömmen som uppstår under tunneln blir den dominerande källan till ljusa utbrott av ljus, som är lågordens övertoner av den infallande strålningen. Dessa fynd, som just har publicerats i Naturfysik , utvidga både den grundläggande förståelsen för optisk icke-linjäritet i dielektriska material och dess potential för tillämpningar inom informationsbehandling och ljusbaserad materialbehandling.

Vår nuvarande förståelse för icke-linjär optik vid måttliga ljusintensiteter är baserad på den så kallade Kerr-icke-linjäriteten, som beskriver den olinjära förskjutningen av tätt bundna elektroner under påverkan av ett infallande optiskt ljusfält. Denna bild förändras dramatiskt när intensiteten hos detta ljusfält är tillräckligt hög för att mata ut bundna elektroner från deras marktillstånd. Vid långa våglängder för det infallande ljusfältet, detta scenario är förknippat med fenomenet tunneling, en kvantprocess där en elektron utför en klassiskt förbjuden transit genom en barriär som bildas av den kombinerade verkan av ljuskraften och atompotentialen.

Sedan 1990 -talet och föregångare av studier från den kanadensiska forskaren François Brunel, rörelsen av elektroner som har dykt upp vid "slutet av tunneln, "som sker med maximal sannolikhet vid ljusvågens topp, har ansetts vara en viktig källa för optisk icke-linearitet. Denna bild har nu förändrats i grunden. "I det nya experimentet på glas, vi kan visa att strömmen i samband med själva kvantmekaniska tunnelförfarandet skapar en optisk icke-linjäritet som överträffar den traditionella Brunel-mekanismen, "förklarar Dr Alexandre Mermillod-Blondin från Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy, som övervakade experimentet. I experimentet, två ultrakorte ljuspulser med olika våglängder och något olika utbredningsriktningar fokuserades på en tunn platta av glas, och en tids- och frekvensupplöst analys av det framträdande ljuset genomfördes.

Identifiering av mekanismen som är ansvarig för detta utsläpp möjliggjordes av en teoretisk analys av mätningarna som utfördes av gruppen Thomas Fennel, som arbetar vid University of Rostock och vid Max Born Institute inom ramen för en DFG Heisenberg -professur. "Analysen av de uppmätta signalerna i termer av en kvantitet som vi kallade den effektiva icke-linjäriteten var nyckeln till att skilja den nya joniseringsströmmekanismen från andra möjliga mekanismer och för att visa dess dominans, "förklarar fänkål.

Framtida studier med denna kunskap och den nya metrologimetod som utvecklades under arbetets gång kan göra det möjligt för forskare att temporärt lösa och styra starkt fältjonisering och lavinering i dielektriska material med en aldrig tidigare skådad upplösning, i slutändan möjligen på tidsskalan för en enda cykel av ljus.