Ученые сообщают о генерации высших гармоник в материале ENZ

Генерация высоких гармоник (HHG) — это нелинейно-оптическое явление, посредством которого высокие гармоники интенсивного лазерного луча генерируются в целевом материале, обычно в газе. Физики изучали HHG в атомарных газах в течение десятилетий, но совсем недавно группа исследователей из Национальной ускорительной лаборатории SLAC начала исследовать этот процесс в твердых телах.

Одним из преимуществ использования твердых мишеней является более эффективная генерация благодаря высокой плотности взаимодействия. Первый эксперимент был выполнен на кристалле оксида цинка с наблюдением гармоник до 25-го порядка. С тех пор HHG был успешно обнаружен в нескольких диэлектриках, включая кристаллический кварц из оксида магния.

Один из последних примеров этого является результатом совместной работы группы исследователей из Национальной лаборатории Сандиа, Университета Цинхуа, Национальной лаборатории ускорителей SLAC, Университета Нью-Мексико и Университета штата Северная Каролина. В своей статье, опубликованной в журнале Nature Physics, они сообщили о HHG, происходящем из тонкой пленки оксида кадмия, легированной индием, с низкими потерями, которая была достигнута за счет использования эффекта эпсилон-близкого к нулю (ENZ, epsilon-near-zero) материала.

Материалы ENZ, такие как пленки, используемые исследователями, представляют собой новый класс материалов с исчезающей диэлектрической проницаемостью (то есть равной нулю) на некоторой длине волны (то есть частоте). Недавние исследования показывают, что они также демонстрируют сверхбыструю нелинейную эффективность в пределах их длины распространения подволны.

Одним из следствий того, что диэлектрическая проницаемость этих материалов становится равной нулю на заданной длине волны, является то, что при освещении тонких пленок ENZ при правильных условиях (т. е. угол, поляризация) оптические поля внутри этих пленок значительно усиливаются (с отношением от 10 до 100X ). Это означает, что любое явление, которое зависит от интенсивности этих полей, такое как оптические нелинейности, должно быть значительно усилено.

«Мы провели несколько предыдущих нелинейно-оптических экспериментов (то есть генерацию гармоник) в других материалах ENZ и увидели некоторые признаки повышения эффективности; тоже сделали несколько других исследовательских групп», — говорят ученые. «Высоко легированный CdO — это материал, превосходящий ENZ (более высокая подвижность электронов, что приводит к меньшим оптическим потерям и более высоким оптическим полям). Поэтому мы хотели изучить HHG в этих пленках».

В последние годы растет интерес к поиску новых способов получения аттосекундных импульсов, особенно в компактной экспериментальной установке, то есть путем замены больших газовых трубок и дорогих высокоинтенсивных лазерных систем, в которых эти импульсы генерируются сегодня. В своем исследовании ученые решили изучить эту возможность дальше, используя тонкую пленку оксида кадмия, легированного индием, с низкими потерями.

Образец, использованный в их экспериментах, состоит из тонкой (75 нм) пленки высоколегированного CdO с плазменной частотой, которая находится на эквивалентной длине волны ~ 2 мкм, которая является длиной волны ENZ. Этот образец выращен на MgO и имеет металлический верхний слой, введенный для создания так называемого «идеального поглощения».

Исследователи осветили их образец короткими импульсами на 2,08 мкм от подложки при наклонном падении и p-поляризации. Затем они измерили гармоники, генерируемые на отраженном оптическом пути, используя стандартные спектрометры и детекторы UV-Vis.

«Из-за поглощения подложки в этой конфигурации отражения мы смогли измерить только до девятой гармоники; это самая короткая длина волны, которую мы могли измерить», объяснили исследователи. «В будущем образцы без золотого верхнего слоя можно было бы попробовать в геометрии передачи, поэтому эту проблему можно решить».

В своем исследовании ученые отметили, что гармоники с помощью ENZ демонстрируют выраженное спектральное красное смещение и расширение ширины линии. Это было результатом фотоиндуцированного нагрева электронов и соответствующей зависящей от времени длины волны ENZ материала, который они использовали.

Еще одним интересным открытием является то, что оптическая нелинейность возникает из-за электронов, присутствующих в высоколегированном CdO, и природы зонной структуры CdO. Сочетание оптической накачки на длине волны ENZ и характера нелинейности, приводящей к HHG, может предложить руководство для дальнейших улучшений, а также даст информацию о поиске других материалов, которые демонстрируют аналогичное поведение.

Yuanmu Yang et al. High-harmonic generation from an epsilon-near-zero material, Nature Physics (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0584-7