A geração de alta harmônica (HHG) é um fenômeno óptico não linear por meio do qual altas harmônicas de um feixe de laser intenso são geradas em um material alvo, normalmente um gás. Os físicos têm estudado o HHG em gases atômicos por décadas, mas, mais recentemente, uma equipe de pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory começou a investigar esse processo em sólidos.

Uma das vantagens de usar alvos sólidos é a geração mais eficiente, devido à alta densidade na interação. O primeiro experimento foi realizado em um cristal de óxido de zinco, com a observação de harmônicos até 25 ^º pedidos. Desde então, HHG foi observado com sucesso em vários dielétricos, incluindo um quartzo de cristal de óxido de magnésio.

Um dos exemplos mais recentes disso decorre de um esforço colaborativo envolvendo uma equipe de pesquisadores do Sandia National Laboratories, Universidade de Tsinghua, SLAC National Accelerator Laboratory, a University of New Mexico e a North Carolina State University. Em seu jornal, publicado em Física da Natureza , eles relataram HHG decorrente de uma baixa perda, filme fino de óxido de cádmio dopado com índio, que foi conseguido alavancando o efeito epsilon-near-zero (ENZ) do material.

"A história desta pesquisa remonta às nossas extensas atividades em materiais e fenômenos épsilon quase zero, "Igal Brener e Yuanmu Yang, dois dos pesquisadores co-autores do estudo, disse ao Phys.org por e-mail.

Materiais ENZ, como o filme usado pelos pesquisadores, são uma nova classe de materiais com uma permissividade de desaparecimento (ou seja, igual a zero) em algum comprimento de onda (ou seja, frequência). Estudos recentes sugerem que eles também exibem eficiências não lineares ultrarrápidas em seus comprimentos de propagação de subcomprimento de onda.

Uma das consequências da permissividade deste material indo para zero em um comprimento de onda predeterminado é que ao brilhar filmes finos ENZ sob as condições certas (isto é, ângulo, polarização), os campos ópticos dentro desses filmes são significativamente aprimorados (com uma proporção de 10 a 100X). Isso significa que qualquer fenômeno que dependa da intensidade desses campos, como não linearidades ópticas, deve ser amplamente aprimorado.

"Tínhamos feito alguns experimentos ópticos não lineares anteriores (ou seja, geração de harmônicos) em outros materiais ENZ (ITO) e vimos algumas indicações de maior eficiência; o mesmo aconteceu com alguns outros grupos de pesquisa, "Brener e Yang disseram." CdO altamente dopado (material cultivado pelo co-autor Jon-Paul Maria) é um material ENZ muito superior (maior mobilidade de elétrons que se traduz em menores perdas ópticas e maiores aprimoramentos de campo óptico). Portanto, queríamos estudar HHG nesses filmes. "

Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente em encontrar novas maneiras de produzir pulsos de attossegundo, especialmente em uma configuração experimental compacta, ou seja, substituindo os grandes tubos de gás e os caros sistemas de laser de alta intensidade nos quais esses pulsos são gerados hoje. Em seu estudo, Brener, Yang e seus colegas decidiram explorar mais essa possibilidade, usando uma baixa perda, Filme fino de óxido de cádmio dopado com índio.

A amostra usada em seus experimentos consiste em um filme fino (75 nm) de CdO altamente dopado com uma frequência de plasma que se encontra no comprimento de onda equivalente a ~ 2um, que é o comprimento de onda ENZ. Esta amostra é cultivada em MgO e tem uma camada superior de metal introduzida para criar o que é conhecido como "absorção perfeita".

Os pesquisadores iluminaram sua amostra com pulsos curtos a 2,08um do substrato em incidência oblíqua e polarização p. Eles então mediram os harmônicos gerados no caminho óptico refletido usando espectrômetros e detectores UV-Vis padrão.

“Por causa da absorção do substrato, nesta configuração de reflexão, só fomos capazes de medir até a nona harmônica; esse é o menor comprimento de onda que poderíamos medir, "Brener e Yang explicaram." No futuro, amostras sem a camada superior dourada podem ser testadas na geometria de transmissão, portanto, esse problema pode ser mitigado.

Em seu estudo, os pesquisadores observaram que os harmônicos assistidos por ENZ exibiram um desvio para o vermelho espectral pronunciado e um alargamento da largura da linha. Este foi o resultado do aquecimento de elétrons fotoinduzido e o consequente comprimento de onda ENZ dependente do tempo do material que eles usaram.

A comunidade científica da attosecond está interessada em materiais que exibam esse comportamento, pois poderia melhorar potencialmente a forma como esses pulsos especializados são gerados. Substituindo o gás usado em sistemas típicos por um material sólido, como uma película fina de óxido de cádmio, permitiria aos pesquisadores observar alguns dos eventos mais rápidos da natureza de uma forma mais fácil, maneira menos cara e possivelmente mais detalhada.

Em comparação com as observações coletadas em outros experimentos com materiais de estado sólido, os harmônicos alcançados pelos pesquisadores exigiram cerca de duas ordens de magnitude a menos da potência óptica da bomba. Portanto, o material e o processo que eles usaram simplificam muito o hardware necessário para HHG e espectroscopia de attossegundo.

Um outro achado interessante de seu estudo é que a não linearidade óptica surge dos elétrons que estão presentes no CdO altamente dopado e da natureza da estrutura de banda do CdO. A combinação de bombeamento óptico no comprimento de onda ENZ e a natureza da não linearidade que dá origem ao HHG poderia oferecer orientação para melhorias futuras, além de informar a busca por outros materiais que apresentem comportamento semelhante.

Para os membros da colaboração que estão trabalhando na Sandia, esta pesquisa resultou de um interesse mais amplo em óptica não linear, que eles planejam continuar estudando de outras maneiras. Por exemplo, Sandia já explorou um fenômeno relacionado no qual a luz que passa pelo óxido de cádmio se torna mais de 10 vezes mais brilhante dentro do material. Em seu trabalho, eles usaram esse efeito para construir um switch ótico de alto contraste que poderia eventualmente ajudar a acelerar as comunicações óticas.

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