Les nanostructures permettent une génération record d’harmoniques élevées à partir d’impulsions laser ultra-intenses

Infrared Laser Hitting a Gallium-Phosphide Metsurface
Laser infrarouge frappant une surface de gallium-phosphure

Illustration d’un laser infrarouge frappant une surface métallique de phosphure de gallium, qui produit efficacement une génération d’harmoniques élevées paires et impaires. Crédit : Daniil Shilkin

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 haute résolution et l’étude des processus physiques qui se produisent à l’échelle d’une attoseconde – un quintillionième de seconde .

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 au College of Engineering, 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 2021 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 cela nécessitait une ingénierie de la structure de la métasurface à l’aide de simulations à ondes complètes”, a déclaré Shcherbakov. “Nous avons soigneusement sélectionné les paramètres des particules de gallium-phosphure pour remplir cette condition, 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 10 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 qui n’était pas facilement accessible auparavant”, a déclaré Shcherbakov. “Avec notre méthode, nous envisageons que les gens puissent étudier les matériaux au-delà des métasurfaces, y compris, mais sans s’y limiter, les cristaux, les matériaux 2D, les atomes uniques, les réseaux atomiques artificiels et d’autres systèmes quantiques.”

Maintenant que l’équipe de recherche a démontré les avantages de l’utilisation de nanostructures pour la génération d’harmoniques élevées, elle espère améliorer les dispositifs et les installations à harmoniques élevées en empilant les nanostructures pour remplacer une source à l’état solide, telle que des cristaux.

Référence : « Generation of even and impair high harmonics in resonant metasurfaces using single and multiple ultra-intense laser pulses” by Maxim R. Shcherbakov, Haizhong Zhang, Michael Tripepi, Giovanni Sartorello, Noah Talisa, Abdallah AlShafey, Zhiyuan Fan, Justin Twardowski, Leonid A. Krivitsky, Arseniy I. Kuznetsov, Enam Chowdhury et Gennady Shvets, 7 juillet 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-24450-9

Les co-auteurs comprennent les chercheurs postdoctoraux de Cornell, Zhiyuan Fan et Giovanni Sartorello, ainsi que des chercheurs de l’Ohio State University et de l’Institute of Materials Research and Engineering de Singapour.

La recherche a été financée par l’Office of Naval Research, le Cornell Center for Materials Research par le biais du programme Materials Research Science and Engineering Centers de la National Science Foundation et l’Air Force Office of Scientific Research.

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