Koppling av två ultrakorta solitoner som färdas mellan speglarna på en laserresonator:Den första ljusblixten exciterar laserkristallens atomer för att oscillera, den följande blixten påverkas av den och hålls på ett stabilt avstånd. Kredit:Georg Herink
Stabila paket av ljusvågor – kallade optiska solitoner – sänds ut i ultrakorta pulslasrar som en kedja av ljusblixtar. Dessa solitoner kombineras ofta i par med mycket kort tidsmässig separation. Genom att introducera atomvibrationer i terahertzområdet har forskare vid universiteten i Bayreuth och Wrocław nu löst pusslet om hur dessa tidsmässiga länkar bildas. De rapporterar om sin upptäckt i Nature Communications . Dynamiken hos de kopplade ljuspaketen kan användas för att mäta atomvibrationer som karakteristiska "fingeravtryck" av material på ett extremt snabbt sätt.
I ultrakorta pulslasrar kan optiska solitoner bilda särskilt snäva rumsliga och tidsmässiga bindningar. Dessa kallas också ultrakorta "solitonmolekyler" eftersom de är stabilt kopplade till varandra, liknande de kemiskt bundna atomerna i en molekyl. Forskargruppen i Bayreuth använde en allmänt använd solid state-laser gjord av en safirkristall dopad med titanatomer för att ta reda på hur denna koppling sker. Först stimulerar en enda ledande ljusblixt atomerna i safirens kristallgitter att omedelbart vibrera. Dessa karaktäristiska rörelser svänger i terahertzområdet och avtar igen inom några pikosekunder (en pikosekund motsvarar en biljondels sekund). Under denna extremt korta tidsperiod förändras kristallens brytningsindex. När en andra ljusblixt omedelbart följer efter och hinner ikapp den första, känner den denna förändring:den påverkas inte bara något av atomvibrationerna, utan kan också stabilt bindas till den föregående solitonen. En "solitonmolekyl" föds.
"Mekanismen vi upptäckte är baserad på de fysiska effekterna av Raman-spridning och självfokusering. Den förklarar en mängd olika fenomen som har förbryllat vetenskapen sedan uppfinningen av titan-safirlasrar för över 30 år sedan. Det som är särskilt spännande med upptäckten är att vi nu kan utnyttja dynamiken hos solitoner under deras generering i laserkaviteten för att skanna atombindningar i material extremt snabbt. Hela mätningen av ett så kallat intrakavitet Raman-spektrum tar nu mindre än en tusendels sekund. Dessa fynd kan hjälpa till att utveckla särskilt snabba kemiskt känsliga mikroskop som kan användas för att identifiera material. Dessutom öppnar kopplingsmekanismen upp nya strategier för att styra ljuspulser genom atomiska rörelser och, omvänt, att generera unika materialtillstånd genom ljuspulser", förklarar juniorprofessor Dr. Georg Herink, studiechef och juniorprofessor i ultrasnabb dynamik vid University of Bayreuth.
Parallellt med analysen av experimentella data har forskarna lyckats utveckla en teoretisk modell för solitons dynamik. Modellen gör det möjligt att förklara de observationer som erhållits i experiment och att förutsäga nya effekter av atomvibrationer på dynamiken hos solitoner. Interaktionen mellan solitoner i optiska system och deras tillämpningar för höghastighetsspektroskopi undersöks för närvarande i DFG-forskningsprojektet FINTEC vid University of Bayreuth. + Utforska vidare
