Ερευνητές του εργαστηρίου της Επιστήμης και Τεχνολογίας των Αττοδευτερολέπτων του ΙΗΔΛ-ΙΤΕ με υπεύθυνο τον Δρ. Παρασκευά Τζάλλα, και σε συνεργασία με ερευνητές του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης και του Max Planck Institute for Microstructure Physics της Γερμανίας, ανέπτυξαν μία νέα κβαντική μέθοδο για την περιγραφή της αλληλεπίδρασης ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων με τα άτομα. Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications[1], οδήγησε στην ανάπτυξη κβαντικού φασματόμετρου που χρησιμοποιήθηκε για τον χαρακτηρισμό ακτινοβολίας στην XUV φασματική περιοχή. Η εργασία ενοποιεί τους τομείς της κβαντικής οπτικής και της φυσικής των ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων και προετοιμάζει το έδαφος για μια νέα σειρά πειραματικών ερευνών της αλληλεπίδρασης της ύλης με ισχυρά πεδία λέιζερ στα πλαίσια της κβαντικής οπτικής.

Η περιγραφή των αλληλεπιδράσεων του ατόμου με ισχυρά πεδία λέιζερ, βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στην κλασική περιγραφή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου λέιζερ. Η ακτινοβολία υψηλών αρμονικών που εκπέμπεται στην XUV φασματική περιοχή [2] από την αλληλεπίδραση των ευγενών αερίων με παλμούς λέιζερ (χρονικής διάρκειας 25 φεμτοδευτερολέπτων (fs), 1fs=10^-15 sec) στην φασματική περιοχή του υπερύθρου (IRμε μήκος κύματος 800 nm), σε ευγενή αέρια έχει οδηγήσει μέχρι σήμερα σε μια σειρά συναρπαστικών μελετών της υπερταχείας δυναμικής σε όλες τις καταστάσεις της ύλης. Στην πλειονότητα αυτών των μελετών, η διαδικασία δημιουργίας αρμονικών περιγράφεται με τη χρήση ημι-κλασικών θεωριών, οι οποίες δεν λαμβάνουν υπόψη την κβαντική φύση του πεδίου λέιζερ, ενώ όλα τα πειράματα έχουν εκτελεστεί σε πολύ απαιτητικές συνθήκες όπως απαιτείται για τον χαρακτηρισμό της ακτινοβολίας στην XUVφασματική περιοχή.

Σχήμα 1.Επίδραση της διαδικασίας παραγωγής αρμονικών στην στατιστική των φωτονίων του IRλέιζερ που χρησιμοποιείται για την παραγωγή των αρμονικών στην XUV φασματική περιοχή. (a) Κατανομή πιθανότητας, του μη αλληλοεπιδρώντος IR παλμού λέιζερ. (b) Εικόνα της αλληλεπίδρασης των ατόμων του ευγενούς αερίου με τον IRπαλμό λέιζερ. Το ηλεκτρόνιο, μέσω του φαινομένου σήραγγας διαφεύγει από το δυναμικό του ατόμου την χρονική στιγμή t_i, επιταχύνεται στο συνεχές υπό την επίδραση του πεδίου λέιζερ και εκπέμπει ακτινοβολία XUV την στιγμή της επενασκέδασης t_r. (c) Κατανομή πιθανότητας των απορροφηθέντων IR φωτονίων μετά από την παραγωγή αρμονικών. (d) Φάσμα αρμονικών υψηλής τάξης στη φασματική περιοχή XUV. Σχήμα από την αναφορά [1].

Στην παρούσα εργασία, χρησιμοποιώντας μια πλήρη κβαντική μηχανική προσέγγιση για την περιγραφή της διαδικασίας δημιουργίας αρμονικών, δηλαδή λαμβάνοντας υπόψη την συμφωνία της κατάστασης του IR πεδίου λέιζερ που παράγει την XUV ακτινοβολία, οι ερευνητές κατάφεραν να καταγράψουν το φάσμα της XUV ακτινοβολίας χωρίς την χρήση του συμβατικού εξοπλισμού που χρησιμοποιείται στην XUV φασματική περιοχή [1]. Αυτό επιτεύχθηκε με την μέτρηση της στατιστικής κατανομής των φωτονίων IR φωτός που περνάει μέσα από το μέσο (ευγενές αέριο) παραγωγής αρμονικών (Σχήμα 1). Διαπιστώθηκε ότι η κατάσταση αυτής της IRακτινοβολίας έχει μια ξεχωριστή μη κλασική συμπεριφορά αφού η κατανομή φωτονίων αποτελείται από μια σειρά καλά καθορισμένων κορυφών που αντιστοιχούν στο φάσμα των XUV αρμονικών. Η παρούσα εργασία αποτελεί μια πειραματική απόδειξη της κβαντικής-οπτικής φύσης της αλληλεπίδρασης των ατόμων με ισχυρά πεδία λέιζερ και συνδέει τους τομείς της κβαντικής οπτικής και της φυσικής των ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων η οποίοι μέχρι ήταν εννοιολογικά ανεξάρτητοι. Έτσι, οι μελέτες της υπερταχείας δυναμικής και της φασματοσκοπίας XUV μπορούν να πραγματοποιηθούν στο πλαίσιο της κβαντικής οπτικής, ενώ μπορούν να αναπτυχθούν νέες μη κλασικές πηγές φωτός.

Η έρευνα αυτή διεξήχθη στο Εργαστήριο Επιστήμης και Τεχνολογίας Attosecond του ΙΗΔΛ-ΙΤΕ με υπεύθυνο τον Δρ. Παρασκευά Τζάλλα, κύριο ερευνητή στο IESL-FORTH, σε στενή συνεργασία με τον Ν. Τσαραφυλλή (υποψήφιο διδάκτορα του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης), Ι. Κομίνη (Επίκουρο Καθηγητή, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Κρήτης) και I. Gonoskov (Μεταδιδάκτορα του Ινστιτούτου Φυσικής Μικροδομών Μαξ Πλάνκ, Halle, Γερμανία).

Αναφορές

[1] “High-order harmonics measured by the photon statistics of the infrared driving-field exiting the atomic medium” by N. Tsatrafyllis, I. K. Kominis, I. A. Gonoskov and P. Tzallas, Nature Communications 8, 15170 (2017).

[2] H XUV φασματική περιοχή εκτείνεται από τα ~100 nmμέχρι τα ~10 nmή, εναλλακτικά (σε ενέργειες φωτονίων), από τα ~10 eV μέχρι τα ~125 eV.