Les chercheurs de Cornell ont développé des nanostructures qui permettent une conversion record d'impulsions laser en génération d'harmoniques élevées, ouvrant la voie à de nouveaux outils scientifiques pour l'imagerie à haute résolution et l'étude des processus physiques qui se produisent à l'échelle de l'attoseconde.

La génération d'harmoniques élevées a longtemps été utilisée pour fusionner les photons d'un laser pulsé en un seul, photon ultracourt avec une énergie beaucoup plus élevée, produisant une lumière ultraviolette extrême et des rayons X utilisés à diverses fins scientifiques. Traditionnellement, les gaz ont été utilisés comme sources d'harmoniques, mais une équipe de recherche dirigée par Gennady Shvets, professeur de physique appliquée et d'ingénierie à la Faculté des sciences de l'ingénieur, a montré que les nanostructures artificielles ont un bel avenir pour cette application.

La recherche est détaillée dans l'article "Generation of Even and Odd High Harmonics in Resonant Metasurfaces Using Single and Multiple Ultra-Intense Laser Pulses, " publié le 7 juillet dans Communication Nature . Maxim Shcherbakov, qui a mené la recherche en tant qu'associé postdoctoral Cornell avant de devenir professeur adjoint à l'Université de Californie, Irvine, est l'auteur principal.

Les nanostructures créées par l'équipe constituent une métasurface résonnante ultrafine de phosphure de gallium qui surmonte bon nombre des problèmes habituels associés à la génération d'harmoniques élevées dans les gaz et autres solides. Le matériau gallium-phosphure permet des harmoniques de tous ordres sans les réabsorber, et la structure spécialisée peut interagir avec tout le spectre lumineux de l'impulsion laser.

"Réaliser cette ingénierie requise de la structure de la métasurface à l'aide de simulations à ondes complètes, " Shcherbakov a déclaré. "Nous avons soigneusement sélectionné les paramètres des particules de gallium-phosphure pour remplir cette condition, et puis il a fallu un flux de nanofabrication personnalisé pour le mettre en lumière."

Le résultat est des nanostructures capables de générer à la fois des harmoniques paires et impaires - une limitation de la plupart des autres matériaux harmoniques - couvrant une large gamme d'énergies photoniques entre 1,3 et 3 électrons-volts. L'efficacité de conversion record permet aux scientifiques d'observer la dynamique moléculaire et électronique dans un matériau avec un seul tir laser, aidant à préserver les échantillons qui pourraient autrement être dégradés par plusieurs tirs à haute puissance.

L'étude est la première à observer un rayonnement généré à haute harmonique à partir d'une seule impulsion laser, ce qui a permis à la métasurface de résister à des puissances élevées, cinq à dix fois plus élevées que celles précédemment montrées dans d'autres métasurfaces.

"Cela ouvre de nouvelles opportunités pour étudier la matière à des champs ultra-élevés, un régime pas facilement accessible avant, " a déclaré Shcherbakov. " Avec notre méthode, nous envisageons que les gens peuvent étudier les matériaux au-delà des métasurfaces, y compris, mais sans s'y limiter, les cristaux, matériaux 2D, atomes simples, réseaux atomiques artificiels et autres systèmes quantiques."

Maintenant que l'équipe de recherche a démontré les avantages de l'utilisation de nanostructures pour la génération d'harmoniques élevées, il espère améliorer les dispositifs et les installations à haute harmonique en empilant les nanostructures pour remplacer une source à l'état solide, tels que les cristaux.