Наука: свет из туннеля

Физики из Института Макса Борна в Берлине и Университета Ростока обнаружили неизвестный до сих пор нелинейно-оптический механизм, возникающий в результате индуцированного светом туннелирования электронов внутри диэлектриков. Для интенсивностей вблизи порога повреждения материала нелинейный ток, возникающий при туннелировании, становится доминирующим источником ярких вспышек света, которые являются гармониками низкого порядка падающего излучения. Эти результаты значительно расширяют как фундаментальное понимание оптической нелинейности в диэлектрических материалах, так и ее потенциал для применений в обработке информации и обработке материалов на основе света.

Наше современное понимание нелинейной оптики при умеренной интенсивности света основано на так называемой нелинейности Керра, которая описывает нелинейное смещение сильно связанных электронов под воздействием падающего оптического светового поля. Эта картина кардинально меняется, когда интенсивность этого светового поля достаточно высока, чтобы выбрасывать связанные электроны из основного состояния. На больших длинах волн падающего светового поля этот сценарий связан с явлением туннелирования, квантовым процессом, когда электрон выполняет классически запрещенный проход через барьер, образованный совместным действием силы света и атомного потенциала.

Уже с 1990-х годов и впервые проведенный исследованиями канадского ученого Франсуа Брунеля, движение электронов, появившихся в «конце туннеля», которое происходит с максимальной вероятностью на гребне световой волны, считалось важным источник оптической нелинейности. Эта картина сейчас принципиально изменилась.

«В новом эксперименте на стекле мы могли бы показать, что ток, связанный с самим процессом квантового механического туннелирования, создает оптическую нелинейность, которая превосходит традиционный механизм Брунеля», - объясняет д-р Александра Мермиллод-Блонд из Института Макса Борна, которая курировала эксперимент.

Определение механизма, ответственного за этот выброс, стало возможным благодаря теоретическому анализу измерений, который был выполнен группой профессора Томаса Феннела, который работает в Университете Росток и в Институте Макса Борна.

«Анализ измеренных сигналов с точки зрения величины, которую мы назвали эффективной нелинейностью, был ключевым, чтобы отличить новый механизм тока ионизации от других возможных механизмов и продемонстрировать его доминирование», - объясняет Феннел.

Будущие исследования с использованием этих знаний и нового метода метрологии, который был разработан в ходе этой работы, могут позволить исследователям временно разрешить и направить сильную ионизацию и лавину в диэлектрических материалах с беспрецедентным разрешением, в конечном счете, возможно, в масштабе времени одного цикл света, пишет EurekAlert.