Orientar e monitorar o movimento dos elétrons dentro da matéria, impulsionado pela luz, na escala de tempo de um único ciclo óptico é um desafio chave na eletrônica de ondas de luz ultrarrápidas e no processamento de materiais baseado em laser. Físicos do Instituto Max Born em Berlim e da Universidade de Rostock agora revelaram um mecanismo óptico não linear até agora esquecido que emerge do tunelamento de elétrons induzido pela luz dentro de dielétricos. Para intensidades próximas ao limite de dano material, a corrente não linear que surge durante o tunelamento torna-se a fonte dominante de rajadas de luz brilhantes, que são harmônicos de ordem inferior da radiação incidente. Estes achados, que acaba de ser publicado em Física da Natureza , expandir significativamente a compreensão fundamental da não linearidade óptica em materiais dielétricos e seu potencial para aplicações em processamento de informações e processamento de materiais à base de luz.

Nosso entendimento atual de óptica não linear em intensidades de luz moderadas é baseado na chamada não linearidade de Kerr, que descreve o deslocamento não linear de elétrons fortemente ligados sob a influência de um campo de luz óptica incidente. Esta imagem muda drasticamente quando a intensidade deste campo de luz é suficientemente alta para ejetar elétrons vinculados de seu estado fundamental. Em comprimentos de onda longos do campo de luz incidente, este cenário está associado ao fenômeno do tunelamento, um processo quântico onde um elétron realiza um trânsito classicamente proibido através de uma barreira formada pela ação combinada da força da luz e do potencial atômico.

Desde a década de 1990 e pioneiro em estudos do cientista canadense François Brunel, o movimento dos elétrons que surgiram no "fim do túnel, "que acontece com probabilidade máxima na crista da onda de luz, tem sido considerada uma importante fonte de não linearidade óptica. Esta imagem mudou fundamentalmente. "No novo experimento com vidro, poderíamos mostrar que a corrente associada ao próprio processo de tunelamento da mecânica quântica cria uma não linearidade óptica que ultrapassa o mecanismo tradicional de Brunel, "explica o Dr. Alexandre Mermillod-Blondin do Instituto Max Born de Óptica Não Linear e Espectroscopia de Pulso Curto, quem supervisionou o experimento. No experimento, dois pulsos de luz ultracurtos com diferentes comprimentos de onda e direções de propagação ligeiramente diferentes foram focados em uma placa fina de vidro, e uma análise resolvida por tempo e frequência da emissão de luz emergente foi realizada.

A identificação do mecanismo responsável por esta emissão foi possível através de uma análise teórica das medições que foi realizada pelo grupo do Prof. Thomas Fennel, que trabalha na Universidade de Rostock e no Instituto Max Born no quadro de uma cátedra DFG Heisenberg. "A análise dos sinais medidos em termos de uma quantidade que denominamos de não linearidade efetiva foi a chave para distinguir o novo mecanismo de corrente de ionização de outros mecanismos possíveis e para demonstrar sua dominância, "explica Fennel.

Estudos futuros usando este conhecimento e o novo método de metrologia que foi desenvolvido no decorrer deste trabalho podem permitir aos pesquisadores resolver temporariamente e orientar a ionização de campo forte e avalanchagem em materiais dielétricos com resolução sem precedentes. em última análise, possivelmente na escala de tempo de um único ciclo de luz.