Noch nie dagewesenes helles Quantenlicht erzeugt hohe Harmonische
Quantenoptik und die Erzeugung hoher Harmonischer (high harmonic generation, HHG) sind äußerst vielversprechende Forschungsgebiete, die sich jedoch kaum überschneiden. Das liegt daran, dass Quantenlicht bis vor kurzem zu schwach war, um nichtlineare Effekte jenseits des Störungsbereichs zu generieren. Es konnte keine HHG erzeugen – ein Starkfeld-Effekt, der vor allem für die Untersuchung ultraschneller Phänomene in der Materie wichtig ist. Nun ist es zwei Gruppen des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) sowie Forscher*innen aus Kanada und Israel gelungen, beispiellos helles Quantenlicht zu erzeugen und es für HHG zu nutzen – ein bahnbrechendes Ergebnis, das in Nature Physics veröffentlicht wurde.
Wie bei allen optischen Experimenten ist der entscheidende Punkt die Ausrichtung. © Tanya Chekhova
HHG ist ein extremer nichtlinearer Prozess, bei dem intensive, ultrakurze Lichtpulse Elektronen anregen, hohe Harmonische der anregende Feldfrequenz zu emittieren. Dieser Prozess bildet die Grundlage der Attosekunden-Wissenschaft und erzeugt einzigartige Quellen für ultrakurze Pulse im extremen ultravioletten und Röntgenspektralbereich. Bislang wurde HHG nur mit klassischem Licht angetrieben. Nun haben die Forschungsgruppen von Maria Chekhova und Francesco Tani am MPL HHG in einem hellen, gequetschten Vakuum – einem Quantenzustand des Lichts – beobachtet und gezeigt, dass es effizienter ist als die Verwendung von klassischem Licht. „Wir wissen, dass die interessantesten Dinge an den Grenzen verschiedener Bereiche passieren, und wenn wir extreme Werte für bestimmte Parameter erreichen. Unsere Arbeit bewegt sich an der Grenze zwischen Quantenoptik und Starkfeldphysik, und der Parameter, der hier sehr groß ist, ist die Anzahl der Photonen in einem gequetschten Vakuumzustand“, sagt Prof. Maria Chekhova.
Die MPL-Gruppe hat eine Quantenlichtquelle entwickelt, deren Photonenzahl pro Puls so hoch ist wie bei sehr leistungsstarken Lasern – bis zu 1013 –, deren Photonenstatistik sich jedoch stark von derjenigen von Laserquellen unterscheidet. Dieser Zustand des Lichts, der als helles gequetschtes Vakuum bezeichnet wird, weist trotz seiner riesigen Anzahl von Photonen ausgeprägte Quanteneigenschaften auf. So befindet sich beispielsweise das elektrische Feld in einer Quantenüberlagerung von „oben“ und „unten“. Mit Hilfe des hellen gequetschten Vakuums erzeugten die Forscher*innen optische Harmonische in Festkörpern bis zur siebten Ordnung und erzielten dabei eine höhere Effizienz und eine ungewöhnliche Photonenstatistik im Vergleich zur Anregung mit kohärentem Licht. Darüber hinaus erweist sich die Anregung mit hellem gequetschtem Vakuum als weniger invasiv für die Probe und ermöglicht es, einen breiteren Bereich von Elektronenanregungen gleichzeitig zu untersuchen.
Diese Arbeit eröffnet einen Weg für die Untersuchung von Quanteneffekten in der Starkfeldphysik. Außerdem erwarten Wissenschaftler*innen, dass das Verhalten von Elektronen, die durch Quantenlicht angeregt werden, Quanteneigenschaften aufweist. Dies wird die Kopplung zwischen Quantenlicht und Quantenmaterie ermöglichen, ein weiteres grenzüberschreitendes Gebiet der Quantenphysik.
Wissenschaftliche Kontakte:
Prof. Maria Chekhova
Forschungsgruppen-Leiterin "Quantenstrahlung"
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts
maria.chekhova@mpl.mpg.de
Dr. Francesco Tani
Forschungsgruppen-Leiter "Ultraschnelle & verdrehte Photonik"
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts
francesco.tani@mpl.mpg.de
