康奈爾大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了能夠?qū)⒓す饷}沖轉(zhuǎn)換為高次諧波的納米結(jié)構(gòu)，為高分辨率成像和研究阿秒級物理過程的新科學(xué)工具鋪平了道路。

長期以來，高次諧波產(chǎn)生一直被用于將脈沖激光器中的光子合并為一個具有更高能量的超短光子，產(chǎn)生用于各種科學(xué)目的的極紫外光和X射線。傳統(tǒng)上，氣體被用作諧波源，但由工程學(xué)院應(yīng)用和工程物理學(xué)教授根納季·什維茨（Gennady Shvets）領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組已經(jīng)表明，工程納米結(jié)構(gòu)在這方面有著光明的前景。

這項研究結(jié)果7月7日發(fā)表在《自然·通訊》雜志上，該論文標題是《利用單一和多個超強激光脈沖在共振超表面產(chǎn)生偶奇高諧波》（Generation of Even and Odd High Harmonics in Resonant Metasurfaces Using Single and Multiple Ultra-Intense Laser Pulses）。馬克西姆·施切爾巴科夫(Maxim Shcherbakov)是這項研究的第一作者。施切爾巴科夫在成為加州大學(xué)歐文分校(University of California, Irvine)助理教授之前，曾擔(dān)任康奈爾大學(xué)(Cornell)博士后助理，負責(zé)這項研究工作。

該團隊創(chuàng)造的納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成了超薄共振磷化鎵超表面，它克服了氣體和其他固體中產(chǎn)生高次諧波的許多常見問題。磷化鎵材料可以在不重新吸收的情況下產(chǎn)生所有階次的諧波，而且這種特殊的結(jié)構(gòu)可以與激光脈沖的整個光譜相互作用。

紅外激光照射磷化鎵表面，有效地產(chǎn)生奇偶高諧波。

馬克西姆·施切爾巴科夫(Maxim Shcherbakov)說：“實現(xiàn)這一目標，需要利用全波模擬對超表面結(jié)構(gòu)進行工程設(shè)計。”“我們仔細選擇了磷化鎵粒子的參數(shù)來滿足這一條件，然后通過定制的納米制造流程將其曝光。”

其結(jié)果是納米結(jié)構(gòu)既能產(chǎn)生偶次諧波，又能產(chǎn)生奇次諧波——這是大多數(shù)其他諧波材料的一個限制。這種納米結(jié)構(gòu)可覆蓋范圍廣泛的光子能量，在1.3-3電子伏特之間。

這種破紀錄的轉(zhuǎn)換效率，使科學(xué)家只需用一次激光照射，就能觀察到材料中的分子和電子動力學(xué)，有助于保存可能被多次高能照射降解的樣品。

這項研究是第一次觀察到由單一激光脈沖產(chǎn)生的高諧波輻射，這使得超表面能夠承受高功率——比以前在其他超表面顯示的高5~10倍。

施切爾巴科夫說：“這為在超高磁場中研究物質(zhì)提供了新的機會，這在以前是不容易實現(xiàn)的。”“通過我們的方法，我們設(shè)想人們可以研究超表面之外的材料，包括但不限于晶體、二維材料、單原子、人工原子晶格和其他量子系統(tǒng)。”

目前，已經(jīng)證明了使用納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高諧波的優(yōu)勢之后，他們希望通過將納米結(jié)構(gòu)堆疊在一起來取代固態(tài)源，如晶體，來改善高諧波器件和設(shè)施。

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