Os pesquisadores da Cornell desenvolveram nanoestruturas que permitem a conversão recorde de pulsos de laser em geração de alta harmônica, pavimentando o caminho para novas ferramentas científicas para imagens de alta resolução e estudando processos físicos que ocorrem na escala de um attossegundo.

A geração de alta harmônica tem sido usada há muito tempo para mesclar fótons de um laser pulsante em um, fóton ultracurto com energia muito maior, produzindo luz ultravioleta extrema e raios-X usados ​​para uma variedade de propósitos científicos. Tradicionalmente, gases têm sido usados ​​como fontes de harmônicos, mas uma equipe de pesquisa liderada por Gennady Shvets, professor de física aplicada e de engenharia na Faculdade de Engenharia, mostrou que as nanoestruturas projetadas têm um futuro brilhante para esta aplicação.

A pesquisa é detalhada no artigo "Geração de Altas Harmônicas Pares e Ímpares em Metasuperfícies Ressonantes usando Pulsos de Laser Ultra-Intensos Únicos e Múltiplos, "publicado em 7 de julho em Nature Communications . Maxim Shcherbakov, que conduziu a pesquisa como associado de pós-doutorado em Cornell antes de se tornar professor assistente na Universidade da Califórnia, Irvine, é o autor principal.

As nanoestruturas criadas pela equipe constituem uma metassuperfície de fosfeto de gálio ressonante ultrafina que supera muitos dos problemas usuais associados à geração de alta harmônica em gases e outros sólidos. O material de fosfeto de gálio permite harmônicos de todas as ordens sem reabsorvê-los, e a estrutura especializada pode interagir com todo o espectro de luz do pulso de laser.

"Alcançar essa engenharia necessária da estrutura da metassuperfície usando simulações de onda completa, "Shcherbakov disse." Selecionamos cuidadosamente os parâmetros das partículas de fosfeto de gálio para cumprir esta condição, e então foi necessário um fluxo de nanofabricação personalizado para trazê-lo à luz. "

O resultado são nanoestruturas capazes de gerar harmônicos pares e ímpares - uma limitação da maioria dos outros materiais harmônicos - cobrindo uma ampla gama de energias de fótons entre 1,3 e 3 elétron-volts. A eficiência de conversão recorde permite que os cientistas observem a dinâmica molecular e eletrônica dentro de um material com apenas um disparo de laser, ajudando a preservar amostras que podem ser degradadas por vários disparos de alta potência.

O estudo é o primeiro a observar radiação gerada de alta harmônica a partir de um único pulso de laser, o que permitiu que a metassuperfície resistisse a altas potências - cinco a 10 vezes maior do que anteriormente mostrado em outras metassuperfícies.

"Isso abre novas oportunidades para estudar a matéria em campos ultra-altos, um regime não facilmente acessível antes, "Disse Shcherbakov." Com o nosso método, imaginamos que as pessoas podem estudar materiais além das metassuperfícies, incluindo, mas não se limitando a cristais, Materiais 2D, átomos únicos, redes atômicas artificiais e outros sistemas quânticos. "

Agora que a equipe de pesquisa demonstrou as vantagens do uso de nanoestruturas para geração de alta harmônica, ele espera melhorar os dispositivos e instalações de alta harmônica empilhando as nanoestruturas para substituir uma fonte de estado sólido, como cristais.