Figure 1 : La génération de hautes harmoniques crée une lumière de courte longueur d’onde à partir d’un faisceau de lumière laser puissant de plus grande longueur d’onde. Crédit : Programme 2022 RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS).
Modélisation de la génération de hautes harmoniques sans recourir à la théorie des perturbations
Un modèle mathématique avancé capable de décrire les interactions à haute énergie entre la lumière et la matière a été développé par deux chercheurs du RIKEN et un collaborateur. Cette approche pourrait être étendue pour offrir de nouvelles perspectives dans d’autres domaines de la physique.
La génération de hautes harmoniques est une technique puissante qui convertit la lumière laser d’une longueur d’onde, ou couleur, en une autre (Fig. 1). En d’autres termes, elle convertit un photon de faible énergie et de grande longueur d’onde en plusieurs photons de plus grande énergie et de plus courte longueur d’onde.
La génération de hautes harmoniques a plusieurs applications. Par exemple, elle offre un moyen de créer des sources de table de lumière ultraviolette ou de rayons X extrêmes en utilisant des lasers, plutôt que des installations synchrotron coûteuses. La génération de hautes harmoniques peut également produire des impulsions lumineuses ultracourtes, d’une durée d’une attoseconde (10 µm).-18 seconde) ou même une zeptoseconde (10-21 seconde), qui sont utiles pour représenter des processus extrêmement rapides tels que ceux qui se produisent dans les atomes. Mais la génération de hautes harmoniques est intrinsèquement difficile à modéliser mathématiquement, et donc à comprendre pleinement.
Hidetoshi Taya (à gauche), Masaru Hongo (au centre) et Tatsuhiko Ikeda (à droite) ont développé un cadre mathématique pour modéliser la génération de hautes harmoniques. Crédit : 2022 RIKEN
Hidetoshi Taya et Masaru Hongo du programme RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS), ainsi que leur collègue Tatsuhiko Ikeda de l’Université de Tokyo, ont développé pour la première fois une approche analytique de la génération de hautes harmoniques dans le régime dit non-perturbatif.
La théorie des perturbations est un outil mathématique puissant qui part d’une version simplifiée, mais mathématiquement soluble, d’un problème. Elle ajoute ensuite de petites variations, ou perturbations, pour obtenir une réponse plus précise.
Cependant, tous les processus ne se prêtent pas à la théorie des perturbations. “De nombreux phénomènes physiques ne peuvent être analysés à l’aide de l’approche perturbative standard”, explique M. Taya. “Ainsi, établir des approches théoriques pour les régimes non-perturbatifs est l’un des plus grands défis de la physique théorique.”
Taya, Hongo et Ikeda ont utilisé des techniques mathématiques qui n’avaient pas été appliquées auparavant à la génération de hautes harmoniques. Leur approche a révélé le mécanisme microscopique qui convertit la lumière intense entrante en harmoniques élevées, et a permis de calculer n’importe quelle observable expérimentale avec un simple stylo et du papier, sans avoir besoin d’ordinateurs.
Cette recherche pourrait aider à faire la lumière sur plusieurs résultats expérimentaux intrigants qui présentent des caractéristiques que ne présente pas la génération de hautes harmoniques dans le régime perturbatif.
Le même outil mathématique pourrait également être utile dans d’autres domaines de la physique. “Je suis particulièrement intéressé par l’application à la physique des particules de haute énergie”, déclare Taya. “Par exemple, notre théorie peut être appliquée à l’électrodynamique quantique – la théorie fondamentale des électrons et des photons. Elle prédit que la génération de hautes harmoniques se produira non seulement dans les matériaux mais aussi dans le vide – une possibilité intéressante qui pourrait être testée avec les futures installations de laser intense.”
Référence : “Analytical WKB theory for high-harmonic generation and its application to massive Dirac electrons” par Hidetoshi Taya, Masaru Hongo et Tatsuhiko N. Ikeda, 21 octobre 2021, Physical Review B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.104.L140305
