Cornell-forskare har utvecklat nanostrukturer som möjliggör rekordstor omvandling av laserpulser till högharmonisk generering, bana väg för nya vetenskapliga verktyg för högupplöst bildbehandling och studera fysiska processer som sker på en attoseunds skala.

Generering av hög harmonisk har länge använts för att slå samman fotoner från en pulserande laser till en, ultrakort foton med mycket högre energi, producerar extremt ultraviolett ljus och röntgenstrålar som används för en mängd olika vetenskapliga ändamål. Traditionellt, gaser har använts som källor till övertoner, men en forskargrupp ledd av Gennady Shvets, professor i tillämpad och teknisk fysik vid College of Engineering, har visat att konstruerade nanostrukturer har en ljus framtid för denna applikation.

Forskningen beskrivs i detalj i artikeln "Generation of Even and Odd High Harmonics in Resonant Metasurfaces Using Single and Multiple Ultra-Intense Laser Pulses, " publicerad 7 juli in Naturkommunikation . Maxim Shcherbakov, som utförde forskningen som Cornell postdoktor innan han blev biträdande professor vid University of California, Irvine, är huvudförfattare.

De nanostrukturer som skapats av teamet utgör en ultratunn resonant galliumfosfidmetayta som övervinner många av de vanliga problemen som är förknippade med högharmonisk generering i gaser och andra fasta ämnen. Galliumfosfidmaterialet tillåter övertoner av alla ordningar utan att återabsorbera dem, och den specialiserade strukturen kan interagera med laserpulsens hela ljusspektrum.

"Att uppnå denna nödvändiga konstruktion av metaytans struktur med hjälp av helvågssimuleringar, ", sa Shcherbakov. "Vi valde noggrant ut parametrarna för galliumfosfidpartiklarna för att uppfylla detta villkor, och sedan tog det ett anpassat nanotillverkningsflöde för att få det fram i ljuset."

Resultatet är nanostrukturer som kan generera både jämna och udda övertoner - en begränsning av de flesta andra övertonsmaterial - som täcker ett brett spektrum av fotonenergier mellan 1,3 och 3 elektronvolt. Den rekordstora omvandlingseffektiviteten gör det möjligt för forskare att observera molekylär och elektronisk dynamik i ett material med bara ett laserskott, hjälper till att bevara prover som annars kan försämras av flera kraftfulla skott.

Studien är den första som observerar högharmonisk genererad strålning från en enda laserpuls, som tillät metaytan att motstå höga krafter - fem till 10 gånger högre än tidigare visats i andra metasytor.

"Det öppnar nya möjligheter att studera materia på ultrahöga fält, en regim som tidigare inte var lättillgänglig, " Sade Shcherbakov. "Med vår metod, vi föreställer oss att människor kan studera material bortom metasytor, inklusive men inte begränsat till kristaller, 2D-material, enkla atomer, konstgjorda atomgitter och andra kvantsystem."

Nu när forskargruppen har visat fördelarna med att använda nanostrukturer för högharmonisk generering, det hoppas kunna förbättra högharmoniska enheter och faciliteter genom att stapla nanostrukturerna ihop för att ersätta en solid state-källa, såsom kristaller.