La generación de altos armónicos (HHG) es un fenómeno óptico no lineal a través del cual se generan altos armónicos de un rayo láser intenso en un material objetivo, típicamente un gas. Los físicos han estado estudiando HHG en gases atómicos durante décadas, pero, más recientemente, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC ha comenzado a investigar este proceso en sólidos.

Una de las ventajas de utilizar objetivos sólidos es una generación más eficiente, debido a la alta densidad en la interacción. El primer experimento se realizó en un cristal de óxido de zinc, con la observación de armónicos hasta 25 ^th pedidos . Desde entonces, HHG se ha observado con éxito en varios dieléctricos, incluyendo un cuarzo cristal de óxido de magnesio.

Uno de los últimos ejemplos de esto proviene de un esfuerzo de colaboración que involucra a un equipo de investigadores de Sandia National Laboratories, Universidad de Tsinghua, Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC, la Universidad de Nuevo México y la Universidad Estatal de Carolina del Norte. En su papel publicado en Física de la naturaleza , informaron HHG que surge de una pérdida baja, película delgada de óxido de cadmio dopado con indio, que se logró aprovechando el efecto epsilon-near-zero (ENZ) del material.

"La historia de esta investigación se remonta a nuestras extensas actividades en materiales y fenómenos épsilon casi cero, "Igal Brener y Yuanmu Yang, dos de los investigadores que son coautores del estudio, le dijo a Phys.org por correo electrónico.

Materiales ENZ, como la película utilizada por los investigadores, son una nueva clase de materiales con una permitividad de fuga (es decir, igual a cero) en alguna longitud de onda (es decir, frecuencia). Estudios recientes sugieren que también exhiben eficiencias no lineales ultrarrápidas dentro de sus longitudes de propagación por debajo de la longitud de onda.

Una de las consecuencias de que la permitividad de estos materiales llegue a cero a una longitud de onda predeterminada es que cuando se iluminan películas delgadas ENZ en las condiciones adecuadas (es decir, ángulo, polarización), los campos ópticos dentro de estas películas se mejoran significativamente (con una proporción de 10 a 100X). Esto significa que cualquier fenómeno que dependa de la intensidad de estos campos, como las no linealidades ópticas, debería mejorarse enormemente.

"Habíamos realizado algunos experimentos ópticos no lineales previos (es decir, generación de armónicos) en otros materiales ENZ (ITO) y vimos algunos indicios de eficiencias mejoradas; también lo hicieron un par de otros grupos de investigación, "Brener y Yang dijeron." El CdO (material cultivado por el coautor Jon-Paul Maria) altamente dopado es un material ENZ muy superior (mayor movilidad de electrones que se traduce en menores pérdidas ópticas y mayores mejoras en el campo óptico). Por lo tanto, queríamos estudiar HHG en estas películas ".

En años recientes, Ha habido un interés creciente en encontrar nuevas formas de producir pulsos de attosegundos, especialmente en una configuración experimental compacta, es decir., reemplazando los grandes tubos de gas y los costosos sistemas láser de alta intensidad en los que se generan estos pulsos en la actualidad. En su estudio, Brener, Yang y sus colegas se propusieron explorar más a fondo esta posibilidad, usando una baja pérdida, Película delgada de óxido de cadmio dopado con indio.

La muestra utilizada en sus experimentos consiste en una película delgada (75 nm) de CdO altamente dopado con una frecuencia de plasma que se encuentra en la longitud de onda equivalente de ~ 2um, que es la longitud de onda ENZ. Esta muestra se cultiva en MgO y tiene una capa superior de metal introducida para crear lo que se conoce como "absorción perfecta".

Los investigadores iluminaron su muestra con pulsos cortos a 2.08um del sustrato en incidencia oblicua y polarización p. Luego midieron los armónicos generados en la ruta óptica reflejada utilizando espectrómetros y detectores UV-Vis estándar.

"Debido a la absorción del sustrato, en esta configuración de reflexión, sólo pudimos medir hasta el noveno armónico; esa es la longitud de onda más corta que pudimos medir, "Brener y Yang explicaron." En el futuro, las muestras sin la capa superior de oro podrían probarse en la geometría de la transmisión para mitigar este problema.

En su estudio, los investigadores observaron que los armónicos asistidos por ENZ exhibían un corrimiento al rojo espectral pronunciado y un ensanchamiento del ancho de línea. Este fue el resultado del calentamiento de electrones fotoinducido y la consecuente longitud de onda ENZ dependiente del tiempo del material que utilizaron.

La comunidad científica de attosegundos está interesada en materiales que exhiban este comportamiento, ya que podría mejorar potencialmente la forma en que se generan estos pulsos especializados. Reemplazo del gas usado en sistemas típicos por un material sólido, como una fina película de óxido de cadmio, permitiría a los investigadores observar algunos de los eventos más rápidos en la naturaleza de una manera más fácil, forma menos costosa y posiblemente más detallada.

En comparación con las observaciones recopiladas en otros experimentos con materiales en estado sólido, los armónicos logrados por los investigadores requirieron aproximadamente dos órdenes de magnitud menos de potencia óptica de la bomba. Por lo tanto, el material y el proceso que utilizaron simplifica enormemente el hardware necesario para la espectroscopia de attosegundos y HHG.

Otro hallazgo interesante de su estudio es que la no linealidad óptica surge de los electrones que están presentes en el CdO altamente dopado y la naturaleza de la estructura de banda del CdO. La combinación de bombeo óptico en la longitud de onda ENZ y la naturaleza de la no linealidad que da lugar a HHG podría ofrecer una guía para futuras mejoras. al mismo tiempo que informa la búsqueda de otros materiales que exhiban un comportamiento similar.

Para los miembros de la colaboración que están trabajando en Sandia, esta investigación surgió de un interés más amplio en la óptica no lineal, que planean seguir estudiando de otras formas. Por ejemplo, Sandia ya ha explorado un fenómeno relacionado en el que la luz que atraviesa el óxido de cadmio se vuelve más de 10 veces más brillante dentro del material. En su trabajo, utilizaron este efecto para construir un interruptor óptico de alto contraste que eventualmente podría ayudar a acelerar las comunicaciones ópticas.

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