Физики предложили устройство оптических аттосекундных часов

Ученые физического факультета МГУ в составе международного научного коллектива из Германии, Литвы и Франции разработали метод диагностики процесса индуцированной высокоинтенсивным оптическим полем ионизации среды посредством регистрации излучения, генерируемого при туннелировании электрона, – так называемых брюнелевых гармоник¹. Физики теоретически показали, что регистрация состояния поляризации брюнелевых гармоник позволяет найти не только время туннелирования электрона через потенциальный барьер, но и асимметрию процесса ионизации при обращении времени. Эксперимент в гелии показал высокую чувствительность оптического метода диагностики к асимметрии динамики электронного волнового пакета при ионизации. Результат работы, состоящий в новом, полностью оптическом способе воспроизведения туннелирования на аттосекундном временном масштабе, позволит исследовать туннелирование через запрещенную зону в твердых телах, где регистрация фотоэлектронных спектров затруднительна. С исследованием можно ознакомиться на страницах журнала Nature Physics.

В настоящее время существенный интерес представляют процессы, происходящие при взаимодействии света с веществом на аттосекундных временах (1 ac = 10^–18 c), т.е. временах сопоставимых с периодом «обращения» электрона на первой боровской орбите. Одним из таких процессов является туннелирование электрона через потенциальный барьер, который уменьшается в присутствии сильного поля лазерного импульса длительностью в несколько периодов оптических колебаний. Такой процесс ионизации атома является ключевым для аттофизики и лежит в основе генерации оптических гармоник высокого порядка и их последующего применения в спектроскопии. Традиционные методы измерения времени туннелирования электрона через потенциальный барьер основаны на отклонении спектра фотоэлектронов, генерируемых лазерным импульсом с поляризацией, близкой к циркулярной, относительно оси эллипса поляризации светового поля лазера. Установки, позволяющие проводить такие измерения, являются уникальными и технически сложными. Предложенный учеными альтернативный метод диагностики ионизации атома в сильном поле основан на анализе нелинейно-оптической трансформации лазерного импульса длительностью несколько десятков фемтосекунд (1 фс = 10^-15 c) в кювете с газом атмосферной плотности. Такая установка реализуется с помощью коммерчески доступной титан-сапфировой лазерной системы, которая умещается на оптическом столе в лаборатории.

При взаимодействии высокоинтенсивного лазерного излучения сверхкороткого импульса длительностью 10–100 фс со средой наблюдается генерация сверхширокого спектра (суперконтинуума) и гармоник центральной частоты. Оптические гармоники, включая брюнелевские, являются результатом нелинейно-оптического взаимодействия со средой и несут огромный массив информации об этом взаимодействии. Его необходимо расшифровать. Теоретиками международного коллектива, включая ученых физического факультета МГУ, была решена проблема расшифровки информации об ионизации атомов, «записанная» в состоянии поляризации третьей брюнелевой гармоники, которая регистрировалась в эксперименте. Теоретически показано, что состояние поляризации высших гармоник, начиная с пятой, несет информацию об ионизации на все более кратких временах – тем самым оптические гармоники оказываются подобными стрелкам механических часов, вращающимися с различной скоростью на аттосекундных временах. Для расшифровки экспериментальных данных была разработана квазиклассическая теория процесса, позволяющая напрямую сопоставлять измеряемые угол поворота и степень эллиптичности брюнелевых гармоник с вероятностью туннельной ионизации. Корректность квазиклассической теории была обоснована ее согласием с численным решением квантовомеханического уравнения Шредингера для одноэлектронной атомной системы. Однако, эксперимент проводился не с одиночными атомами, а с гелием атмосферной плотности, поэтому зарегистрированная на выходе кюветы с гелием третья гармоника могла быть обусловлена не только брюнелевским механизмом, напрямую связанным с процессом ионизации, но и керровским откликом связанных электронов. Профессор О.Г. Косарева, с.н.с. Н.А. Панов, м.н.с. Д.Е. Шипило с физического факультета МГУ и аспирант физфака И.А. Николаева оптимизировали экспериментальные условия так, чтобы вклад брюнелевых гармоник в нелинейно-оптическую трансформацию спектра импульса в гелии был максимальным. Оптимизация была проведена на основе численного решения трехмерного в пространстве и учитывающего осцилляции поля на оптической частоте однонаправленного уравнения распространения (Unidirectional Pulse Propagation Equation). Предсказанные параметры эксперимента позволили зарегистрировать состояние поляризации третьей гармоники на выходе кюветы, исходя из которого была определена вероятность ионизации атомов гелия.

Таким образом, разработанная методика позволяет изучать процесс ионизации вещества исключительно оптическим методом с использованием настольной лазерной системы и предварительного теоретического и численного анализа вкладов различных нелинейно-оптических механизмов в генерацию гармоник. Перспективным направлением развития исследования представляется применение данного подхода к изучению аттодинамики переходов между валентной зоной и зоной проводимости в конденсированных средах, что в свою очередь, может привести к созданию новых сверхбыстрых приборов оптоэлектроники.

1.   F. Brunel, Harmonic generation due to plasma effects in a gas undergoing multiphoton ionization in the high-intensity limit, J. Opt. Soc. Am. B 7, 521 (1990)

Рисунок. Верхняя строка, левая панель – эксперимент: эллиптически поляризованный импульс накачки (P) формирует плазменный канал (S), являющийся источником третьей гармоники (H), состояние поляризации которой регистрируется в дальнейшем. Верхняя строка, центральная панель – экспериментально измеренные угол поворота главной оси эллипса поляризации третьей гармоники и ее степень эллиптичности (сплошные кривые) в сравнении с результатами моделирования (пунктирные кривые). Верхняя строка, правая панель – вероятность ионизации W(t), восстановленная из результатов эксперимента (сплошная красная кривая) и моделирования (синяя штриховая кривая). Синяя пунктирная кривая учитывает отклик связанных электронов. Тонкая красная кривая соответствует инвертированной во времени (t → –t) зависимости вероятности ионизации W(t). Нижняя строка – спектр излучения в дальней зоне, полученный в трехмерном моделировании нелинейного распространения лазерного импульса как с учетом отклика связанных электронов (красная кривая) так и без него (чёрная кривая).