La lumière laser vers de nouveaux extrêmes

La lumière laser vers de nouveaux extrêmes

Pour observer quelque chose d’aussi petit et rapide comme un électron se précipitant pour former une liaison chimique, vous avez besoin d’une lumière brillante avec une très petite longueur d’onde qui vient en impulsions très rapides – quelques attosecondes, ou milliardièmes de milliardième de seconde, longue .

Les scientifiques ont compris il y a plus d’une décennie comment faire cette forme spécialisée de la lumière à travers un processus appelé «génération d’harmoniques élevé» ou HHG, qui décale la lumière acheter laser vert puissant à des longueurs d’onde beaucoup plus courtes et des impulsions plus courtes en braquant à travers un nuage de gaz.

Maintenant, les chercheurs du Département de SLAC National Accelerator Laboratory de l’énergie, de l’Université de Stanford et de l’Université d’État de Louisiane ont réalisé un changement HHG encore plus dramatique en braquant un laser infrarouge à travers le gaz d’argon qui a été congelé dans un mince, solide fragile dont les atomes peine accrocher les uns aux autres .

La lumière laser qui a émergé du gaz congelé était dans le domaine de l’ultraviolet extrême, avec des longueurs d’onde d’environ 40 fois plus courte que la lumière qui est allé, ils signalent aujourd’hui dans la revue Nature.

Les résultats donnent aux chercheurs un nouvel outil potentiel à l’état solide pour “science de l’attoseconde,” qui explore les processus comme les mouvements des électrons dans les atomes et les vibrations naturelles de molécules.

Et à plus long terme, ils pourraient conduire à des brillants, des lasers ultrarapides, courtes longueurs d’onde qui sont beaucoup plus compact, et peut-être des appareils, même électroniques qui exploitent des millions de fois plus rapide que la technologie actuelle, dit David Reis, un co-auteur du rapport et directeur adjoint de l’Institut de PULSE Stanford, un institut commun de SLAC et Stanford.

 laser pointeur vert 3000mW

Faire les premières comparaisons clés

“Maintenant, pour la première fois, nous sommes en mesure de comparer directement le fonctionnement de la génération d’harmoniques dans les formes solides et gazeux d’un seul élément élevé. Nous l’avons fait à la fois de l’argon et du krypton”, a déclaré Reis.

“Ces comparaisons devraient nous permettre de résoudre un certain nombre de questions en suspens -?., Par exemple, ce qui, exactement, est l’effet de l’emballage des atomes rapprochés Dans notre étude, il a semblé améliorer le processus HHG Nous nous attendons à ce que ces résultats, et les études de suivi qui sont déjà en cours, nous donnera une meilleure compréhension de la physique fondamentale “.

Haute génération d’harmoniques est loin d’être nouvelle. Découvert à la fin des années 1980, il offre un moyen de produire des rafales de laser comme de la lumière à des fréquences beaucoup plus élevées et des longueurs d’onde plus courtes qu’un laser vert brulant peut générer directement. Mais seulement dans la dernière décennie, at-il été mis au point dans un outil facilement accessible pour explorer le domaine de l’attoseconde.

Aujourd’hui, les scientifiques utilisent généralement de l’argon gazeux comme le moyen pour générer des impulsions laser attoseconde avec HHG. Laser lumière qui brille sur le gaz libère des électrons de tous les atomes d’argon il frappe. Les électrons s’envolent, boucle arrière et renouer avec leurs atomes de maison tout en même temps. Cette reconnexion génère des rafales attosecondes de lumière qui se combinent pour former une impulsion laser attoseconde.

Travail Tricky avec cristaux fragiles

En 2010, une équipe PULSE dirigée par Reis et SLAC personnel scientifique Shambhu Ghimire a rapporté la première observation de HHG dans un cristal – l’oxyde de zinc, un matériau semi-conducteur qui est probablement le plus connu comme une poudre blanche dans les écrans solaires.

Mais il était difficile de comparer la façon dont HHG procède dans ce complexe solide à ce qui se passe dans un gaz. Donc, en 2011, ils ont commencé une série d’expériences pour comparer directement HHG dans de l’argon gazeux et solide.

Ceci est une expérience conceptuellement simple mais techniquement très difficile», dit Ghimire. “Cristaux Argon sont extrêmement, extrêmement fragile, et la raison pour laquelle ils sont fragiles est que l’interaction entre les atomes est très faible mais ce fut tout ce que nous voulions -. Quelque chose qui ressemblait à un gaz, mais à une densité plus élevée.

Les travaux de réalisation de l’expérience et de l’analyse des données est tombé à Georges Ndabashimiye, un étudiant de troisième cycle à PULSE et le Département de Stanford of Applied Physics, qui a dû comprendre comment geler gaz argon dans une couche mince dans une petite chambre à vide refroidie à 20 kelvins – proche du zéro absolu.

Ndabashimiye dit qu’il devait être patient avec le processus difficile. «Je ne savais pas vraiment comment ça allait tourner, mais il continué à travailler et je trouvais que je pouvais faire de plus en savoir plus. Ce fut très excitant», dit-il.

Pointeur laser bleu 10000mW

Regard vers Applications potentielles

Lorsqu’il est utilisé pour effectuer des HHG, le cristal d’argon réduit la longueur d’onde de la lumière laser puissant 30000mw entrant 40 fois, par rapport à 20 fois dans le gaz d’argon frappé avec le même niveau d’éclairement. Par conséquent, il a également produit un faisceau laser d’énergie beaucoup plus élevé – 40 électronvolts, contre 25 électronvolts dans le gaz d’argon.

Packing les atomes rapprochés semble produire des harmoniques supérieures à l’aide de simples atomes largement espacés, les chercheurs ont dit, et en travaillant avec ces gaz congelés devraient les aider à comprendre pourquoi.

Il y a aussi de nombreux points communs entre le comportement des gaz et des solides, ce qui les amène à croire que les techniques développées pour travailler avec des gaz peuvent être appliqués à des solides, aussi.

«Si un large éventail de différents types de matières solides peut produire ces impulsions attosecondes, nous pourrions être en mesure de concevoir le droit solide avec les bonnes propriétés pour des choses comme l’inspection des puces à semi-conducteurs et des masques, le développement de nouveaux types de microscopie et de cartographier comment les électrons se comportent à l’intérieur solides “, a déclaré Reis.