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隧道内的光-在控制和监控光驱动的电子运动方面的进展

在超快光波电子学和激光材料加工中,在单光周期的时间尺度上控制和监测物质内部电子的光驱动运动是一个关键的挑战。

来自柏林马克斯·伯恩研究所和罗斯托克大学的物理学家们揭示了迄今为止被忽视的非线性光学机制,该机制来自于介质中电子的光诱导隧穿。对于接近材料损伤阈值的强度,隧穿过程中产生的非线性电流成为明亮的光爆发的主要来源,这是入射辐射的低阶谐波。

这些刚刚发表在《自然物理》(Nature Physics)上的发现,极大地拓展了对介电材料光学非线性的基本理解,以及它在信息处理和光基材料处理方面的应用潜力。

我们目前对中等光强下的非线性光学的理解是基于所谓的克尔非线性,它描述了紧密束缚的电子在入射光场影响下的非线性位移。当光场的强度足够高,可以把束缚电子从基态逐出时,这幅图就会发生戏剧性的变化。在入射光场的长波长下,这种情况与隧穿现象有关,这是一种量子过程,在此过程中,电子通过由光力和原子势共同作用形成的屏障,进行经典的禁止穿越。

早在20世纪90年代,由加拿大科学家弗朗索瓦·布鲁内尔(fran&edil;ois Brunel)率先进行的研究中,电子运动就已经在隧道的尽头出现了。它以最大概率出现在光波的波峰处,是产生光学非线性的一个重要来源。这种情况现在已经发生了根本的改变。

在玻璃上的新实验中,我们可以证明,与量子力学隧穿过程相关的电流本身产生了一种光学非线性,这种非线性超过了传统的布鲁内尔机制。来自马克斯·伯恩非线性光学和短脉冲光谱学研究所的亚历山大·默米罗德-布隆丁博士解释说,他监督了这个实验。

在实验中,两个波长不同、传播方向略有不同的超短光脉冲被聚焦在一块薄玻璃上,并对出现的光发射进行了时间和频率分辨分析。

识别机制负责这个发射被测量的理论分析成为可能,是由一群教授托马斯?茴香罗斯托克大学工作的框架和马克斯出生于研究所DFG海森堡教授。Fennel解释说,用我们称之为有效非线性的量来分析测量信号是区分新的电离电流机制和其他可能的机制并证明其优势的关键。

未来的研究利用这一知识和在此工作过程中发展起来的新计量方法,可能使研究人员能够以前所未有的分辨率暂时解决和控制介电材料中的强场电离和雪崩,最终可能在单周期光的时间尺度上实现。

参考文献:非晶石英中强场诱导低次谐波产生的原因作者:P. Jürgens, B. Liewehr, B. Kruse, C. Peltz, D. Engel, A. Husakou, T. Witting, M. Ivanov, M. J. J. Vrakking, T. Fennel and A. Mermillod-Blondin, Nature Physics, 2020年6月29日。

DOI: 10.1038 / s41567 - 020 - 0943 - 4

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