Diriger et surveiller le mouvement des électrons induits par la lumière à l'intérieur de la matière à l'échelle de temps d'un seul cycle optique est un défi clé dans l'électronique à ondes lumineuses ultrarapides et le traitement des matériaux par laser. Des physiciens de l'Institut Max Born de Berlin et de l'Université de Rostock ont ​​maintenant révélé un mécanisme optique non linéaire jusqu'à présent négligé qui émerge de l'effet tunnel induit par la lumière des électrons à l'intérieur des diélectriques. Pour des intensités proches du seuil de dommage matériel, le courant non linéaire généré lors de l'effet tunnel devient la source dominante d'éclats lumineux brillants, qui sont des harmoniques de rang inférieur du rayonnement incident. Ces découvertes, qui viennent de paraître dans Physique de la nature , élargir considérablement à la fois la compréhension fondamentale de la non-linéarité optique dans les matériaux diélectriques et son potentiel d'applications dans le traitement de l'information et le traitement des matériaux à base de lumière.

Notre compréhension actuelle de l'optique non linéaire à des intensités lumineuses modérées est basée sur la non-linéarité dite de Kerr, qui décrit le déplacement non linéaire d'électrons étroitement liés sous l'influence d'un champ lumineux optique incident. Cette image change radicalement lorsque l'intensité de ce champ lumineux est suffisamment élevée pour éjecter les électrons liés de leur état fondamental. Aux grandes longueurs d'onde du champ lumineux incident, ce scénario est associé au phénomène de tunneling, un processus quantique où un électron effectue un transit classiquement interdit à travers une barrière formée par l'action combinée de la force lumineuse et du potentiel atomique.

Depuis les années 1990 et mis au point par les études du scientifique canadien François Brunel, le mouvement des électrons qui ont émergé au « bout du tunnel, " qui se produit avec une probabilité maximale à la crête de l'onde lumineuse, a été considérée comme une source importante de non-linéarité optique. Cette image a maintenant fondamentalement changé. "Dans la nouvelle expérience sur le verre, nous avons pu montrer que le courant associé au processus d'effet tunnel de la mécanique quantique crée lui-même une non-linéarité optique qui surpasse le mécanisme traditionnel de Brunel, " explique le Dr Alexandre Mermillod-Blondin du Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy, qui a supervisé l'expérience. Dans l'expérience, deux impulsions lumineuses ultracourtes avec des longueurs d'onde différentes et des directions de propagation légèrement différentes ont été focalisées sur une fine plaque de verre, et une analyse résolue en temps et en fréquence de l'émission lumineuse émergente a été réalisée.

L'identification du mécanisme responsable de cette émission a été rendue possible par une analyse théorique des mesures qui a été réalisée par le groupe du Pr Thomas Fennel, qui travaille à l'Université de Rostock et à l'Institut Max Born dans le cadre d'une chaire DFG Heisenberg. "L'analyse des signaux mesurés en termes d'une quantité que nous avons appelée la non-linéarité effective était essentielle pour distinguer le nouveau mécanisme de courant d'ionisation des autres mécanismes possibles et pour démontrer sa dominance, " explique Fenouil.

Des études futures utilisant ces connaissances et la nouvelle méthode de métrologie qui a été développée au cours de ce travail pourraient permettre aux chercheurs de résoudre et d'orienter temporellement l'ionisation et l'avalanche de champs forts dans les matériaux diélectriques avec une résolution sans précédent, finalement peut-être sur l'échelle de temps d'un seul cycle de lumière.