Dirigir y monitorear el movimiento de los electrones impulsado por la luz dentro de la materia en la escala de tiempo de un solo ciclo óptico es un desafío clave en la electrónica de ondas de luz ultrarrápida y el procesamiento de materiales basado en láser. Los físicos del Instituto Max Born en Berlín y la Universidad de Rostock han revelado un mecanismo óptico no lineal hasta ahora pasado por alto que emerge del túnel de electrones inducido por la luz dentro de los dieléctricos. Para intensidades cercanas al umbral de daño material, la corriente no lineal que surge durante el túnel se convierte en la fuente dominante de ráfagas de luz brillantes, que son armónicos de bajo orden de la radiación incidente. Estos hallazgos, que acaban de publicarse en Física de la naturaleza , ampliar significativamente tanto la comprensión fundamental de la no linealidad óptica en materiales dieléctricos como su potencial para aplicaciones en el procesamiento de información y el procesamiento de materiales basado en la luz.

Nuestra comprensión actual de la óptica no lineal a intensidades de luz moderadas se basa en la llamada no linealidad de Kerr, que describe el desplazamiento no lineal de electrones estrechamente ligados bajo la influencia de un campo de luz óptica incidente. Esta imagen cambia drásticamente cuando la intensidad de este campo de luz es lo suficientemente alta como para expulsar electrones ligados desde su estado fundamental. En longitudes de onda largas del campo de luz incidente, este escenario está asociado con el fenómeno de los túneles, un proceso cuántico en el que un electrón realiza un tránsito clásicamente prohibido a través de una barrera formada por la acción combinada de la fuerza de la luz y el potencial atómico.

Desde la década de 1990 y con los primeros estudios del científico canadiense François Brunel, el movimiento de los electrones que han emergido al "final del túnel, "que ocurre con máxima probabilidad en la cresta de la onda de luz, ha sido considerada como una fuente importante de no linealidad óptica. Esta imagen ahora ha cambiado fundamentalmente. "En el nuevo experimento sobre vidrio, Podríamos mostrar que la corriente asociada con el proceso de tunelización de la mecánica cuántica en sí crea una no linealidad óptica que supera el mecanismo tradicional de Brunel, "explica el Dr. Alexandre Mermillod-Blondin del Instituto Max Born de Óptica No Lineal y Espectroscopía de Pulso Corto, quien supervisó el experimento. En el experimento, dos pulsos de luz ultracortos con diferentes longitudes de onda y direcciones de propagación ligeramente diferentes se enfocaron en una delgada losa de vidrio, y se realizó un análisis de resolución de tiempo y frecuencia de la emisión de luz emergente.

La identificación del mecanismo responsable de esta emisión fue posible gracias a un análisis teórico de las mediciones que realizó el grupo del Prof. Thomas Fennel, que trabaja en la Universidad de Rostock y en el Instituto Max Born en el marco de una Cátedra DFG Heisenberg. “El análisis de las señales medidas en términos de una cantidad que denominamos no linealidad efectiva fue clave para distinguir el nuevo mecanismo de corriente de ionización de otros posibles mecanismos y demostrar su dominio, "explica Fennel.

Los estudios futuros que utilicen este conocimiento y el nuevo método de metrología que se desarrolló en el curso de este trabajo pueden permitir a los investigadores resolver temporalmente y dirigir la ionización de campo fuerte y las avalanchas en materiales dieléctricos con una resolución sin precedentes. en última instancia, posiblemente en la escala de tiempo de un solo ciclo de luz.