Deux lasers polarisés de puissance différente se combinent dans le processus de génération d'harmoniques élevés. Crédit
Steven Burrows/Groupe Becker
Une nouvelle étude de JILA présente une méthode simple pour générer une lumière polarisée elliptiquement, essentielle pour la recherche avancée sur les matériaux, remettant en question les limites théoriques antérieures.
Dans une nouvelle étude publiée dans Rapports scientifiques, Andreas Becker, professeur de physique à l'Université du Colorado à Boulder, et son équipe ont théorisé une nouvelle méthode pour produire une lumière ultraviolette extrême (EUV) et des rayons X avec une polarisation elliptique, une forme spéciale dans laquelle la direction de l'oscillation des ondes lumineuses change. Cette méthode pourrait fournir aux expérimentateurs une technique simple pour générer une telle lumière, ce qui serait utile aux physiciens pour mieux comprendre les interactions entre les électrons dans les matériaux au niveau quantique, ouvrant la voie à la conception de meilleurs dispositifs électroniques tels que des circuits imprimés, des panneaux solaires et plus.
Processus de génération d'harmoniques élevés
De nombreux physiciens utilisent un processus appelé génération d'harmoniques élevés (HHG) comme source pour générer une lumière laser EUV et à rayons X ultracourte et utilisent cette lumière pour étudier la dynamique ultrarapide des particules chargées dans différents matériaux. En envoyant des impulsions laser de grande puissance dans un gaz d'atomes, les chercheurs peuvent forcer les atomes à absorber les photons des impulsions laser. Cela amène les électrons des atomes à sauter vers un niveau d’énergie plus élevé, puis à retomber au niveau du sol et à émettre de l’énergie lorsque les atomes rayonnent en multiples entiers de la fréquence laser.
Bejan Ghomashi, étudiant diplômé de la JILA et premier auteur, a expliqué que « ces (énergies) seront les harmoniques. Ainsi, si une lumière de 800 nanomètres est absorbée, elle est également émise, ainsi que 400 nanomètres, 200 nanomètres, etc.
Ce processus peut être facilement réalisé dans une configuration laser de table, comme cela a été le cas dans les laboratoires des boursiers JILA Margaret Murnane et Henry Kapteyn. Cela offre aux scientifiques une option relativement rentable pour en savoir plus sur la dynamique électronique ultrarapide.
« Davantage de personnes ont accès à une idée et peuvent l'explorer », a ajouté Becker.
Création d'états de polarisation de la lumière
La polarisation de la lumière est une façon de décrire la direction dans laquelle les ondes lumineuses oscillent. Plus précisément, la polarisation décrit dans quelle direction l'oscillation du champ électrique de la lumière dans un faisceau laser varie au fil du temps. Par exemple, le champ électrique de la lumière peut se déplacer le long d’une ligne, la rendant polarisée linéairement. Dans d’autres cas, la direction du champ électrique oscillant peut tourner, rendant la lumière polarisée circulairement. Créer une lumière dans laquelle le champ électrique varie le long d’une forme elliptique est un juste milieu entre la lumière pure polarisée linéairement et circulairement.
Historiquement, il a cependant été difficile de produire une lumière HHG à polarisation elliptique, mais dans cette nouvelle étude, Becker et son équipe ont exploré comment utiliser deux lasers à polarisation croisée linéaire à des fréquences et des directions différentes pour produire la forme souhaitée. Contrairement à d’autres méthodes plus complexes proposées pour générer du HHG à polarisation elliptique, une configuration expérimentale avec deux impulsions laser à polarisation croisée interagissant avec un gaz atomique est relativement simple.
Les sources de rayons X et de lumière EUV à polarisation elliptique peuvent être utiles pour aider à étudier les matériaux chiraux et magnétiques, car leurs électrons sont sensibles à la direction des champs laser appliqués. Les matériaux chiraux, ou matériaux présentant une symétrie particulière, sont couramment trouvés dans les aliments et les médicaments. Un exemple est l’édulcorant à base d’aspartame : la version pour gaucher est sucrée, tandis que la version pour droitier ne l’est pas.
Résoudre un casse-tête étrange
Alors que les théories précédentes postulaient qu’il était impossible de créer une lumière polarisée elliptiquement en utilisant la configuration de deux impulsions à polarisation croisée, en 2015, une étude expérimentale a produit exactement ce résultat. Ghomashi a expliqué : « À l’époque, la physique théorique n’avait aucune explication pour l’ellipticité générée dans cette expérience et affirmait qu’en fait, elle ne devrait pas exister. C’était une énigme à résoudre.
Intrigué par cet écart, Ghomashi, récemment diplômé du doctorat JILA. l'étudiant Spencer Walker et Becker ont développé une méthode pour analyser la configuration expérimentale dans les simulations informatiques. Les résultats de ces simulations ont produit les mêmes résultats que ceux trouvés dans l’expérience de 2015 pour certains ensembles de paramètres des deux impulsions laser à polarisation croisée.
« Vous devez trouver ce que nous appelons le « point idéal » – il ne s'agit pas d'un seul paramètre – mais vous devez régler plusieurs paramètres simultanément », a ajouté Ghomashi.
En plus de jouer avec la longueur d'impulsion des lasers, les chercheurs ont également affiné l'intensité (ou les champs électriques de pointe) des deux faisceaux laser, l'un étant plus intense que l'autre. Le résultat de la manipulation de ces deux paramètres a créé une « zone Boucle d’or » pour produire la rare lumière HHG de forme elliptique.
Walker a expliqué qu'« en réduisant la durée de l'impulsion, nous contrôlons simultanément la quantité de rayonnement dans les deux directions (x et y). Et si vous avez une émission dans les deux sens à la bonne énergie, vous avez l’ellipticité.
En raison de la simplicité de cette méthode, les chercheurs espèrent qu'il sera possible à d'autres physiciens de reproduire leurs résultats dans un dispositif expérimental afin de valider leur interprétation théorique.
« Cela résout une étrange énigme dans la communauté scientifique », a déclaré Becker, « ce qui est toujours important pour les scientifiques et les chercheurs. »
Alors que Margaret Murnane et Henry Kapteyn, boursiers de la JILA, développent certaines des configurations laser de table les plus précises au monde, il serait également possible de tester le concept de l'équipe à la JILA. « Le mécanisme, donc comment changer les boutons et pourquoi l'ajustement des paramètres permet d'obtenir le résultat, est très simple », a déclaré Walker. « C'est juste une question de détails. »
