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(jí)物理過程的新科學(xué)工具鋪平了道路。

長(zhǎng)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(gè)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(gè)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(xiàng)研究結(jié)果7月7日發(fā)表在《自然·通訊》雜志上，該論文標(biāo)題是《利用單一和多個(gè)超強(qiáng)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(xiàng)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(fù)責(zé)這項(xiàng)研究工作。

該團(tuán)隊(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要利用全波模擬對(duì)超表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。”“我們仔細(xì)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(gè)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(jì)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(dòng)力學(xué)，有助于保存可能被多次高能照射降解的樣品。

這項(xiàng)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(chǎng)中研究物質(zhì)提供了新的機(jī)會(huì)，這在以前是不容易實(shí)現(xiàn)的。”“通過我們的方法，我們?cè)O(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(shì)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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