שני לייזרים מקוטבים מונעים שונים משתלבים בתהליך של יצירת הרמונית גבוהה. אַשׁרַאי
קבוצת סטיבן בורוז/בקר
מחקר חדש של JILA מציג שיטה פשוטה ליצירת אור מקוטב אליפטי, חיונית למחקר חומר מתקדם, המאתגרת מגבלות תיאורטיות קודמות.
במחקר חדש שפורסם ב דוחות מדעיים, עמית JILA ופרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת קולורדו בבולדר, אנדריאס בקר וצוותו, העלו תיאוריה של שיטה חדשה להפקת אור אולטרה סגול קיצוני (EUV) וקרני רנטגן עם קיטוב אליפטי, צורה מיוחדת שבה כיוון תנודת גלי האור משתנה. שיטה זו יכולה לספק לניסויים טכניקה פשוטה ליצור אור כזה, מה שמועיל לפיזיקאים כדי להבין יותר את האינטראקציות בין אלקטרונים בחומרים ברמה הקוונטית, ולסלול את הדרך לתכנון מכשירים אלקטרוניים טובים יותר כמו מעגלים, פאנלים סולאריים, יותר.
תהליך יצירת הרמוניה גבוהה
פיזיקאים רבים משתמשים בתהליך הנקרא High-Harmonic Generation (HHG) כמקור ליצירת אור אולטרה קצר EUV וקרני לייזר ומשתמשים באור זה כדי לחקור את הדינמיקה האולטרה מהירה של חלקיקים טעונים בחומרים שונים. על ידי ירי של פולסי לייזר בעלי עוצמה גבוהה לתוך גז של אטומים, החוקרים יכולים לאלץ את האטומים לספוג את הפוטונים מפולסי הלייזר. זה גורם לאלקטרונים באטומים לקפוץ לרמת אנרגיה גבוהה יותר, ואז ליפול חזרה לגובה הקרקע ולפלוט אנרגיה כשהאטומים מקרינים בכפולות אינטגרליות של תדר הלייזר.
סטודנט לתואר שני ב-JILA והסופר הראשון ביאן ג'ומאשי הסביר כי "אלה (האנרגיות) יהיו ההרמוניות. אז אם נספג אור של 800 ננומטר, הוא גם נפלט יחד עם 400 ננומטר, 200 ננומטר וכו'".
תהליך זה יכול להתבצע בנוחות בתוך מערך לייזר שולחני, כפי שהיה חלוץ במעבדות של עמיתים JILA Margaret Murnane והנרי Kapteyn. זה נותן למדענים אפשרות חסכונית יחסית ללמוד עוד על דינמיקת אלקטרונים מהירה במיוחד.
"ליותר אנשים יש גישה לרעיון והם יכולים לחקור אותו", הוסיף בקר.
יצירת מצבי קיטוב של אור
קיטוב האור הוא דרך לתאר את הכיוון שבו גלי האור מתנודדים. ליתר דיוק, קיטוב מתאר באיזה כיוון תנודת השדה החשמלי של האור בקרן לייזר משתנה לאורך זמן. לדוגמה, השדה החשמלי של האור עשוי להתנועע לאורך קו, מה שהופך אותו למקוטב ליניארי. במקרים אחרים, כיוון השדה החשמלי המתנודד עשוי להסתובב, מה שהופך את האור למקוטב מעגלי. יצירת אור שבו השדה החשמלי משתנה לאורך צורה אליפטית היא אמצע בין אור ליניארי טהור ומקוטב מעגלי.
היסטורית, עם זאת, זה היה מאתגר לייצר אור HHG מקוטב אליפטי, אבל במחקר חדש זה, בקר וצוותו חקרו כיצד להשתמש בשני לייזרים מקוטבים ליניאריים בתדרים וכיוונים שונים כדי לייצר את הצורה הרצויה הזו. שלא כמו שיטות אחרות, מורכבות יותר, המוצעות ליצירת HHG מקוטב אליפטי, מערך ניסוי עם שני פולסי לייזר מקוטבים צולבים המקיימים אינטראקציה עם גז אטומי הוא פשוט יחסית.
מקורות של אור רנטגן מקוטב אליפטי ו-EUV יכולים להיות שימושיים בסיוע לחקר חומרים כיראליים ומגנטיים, שכן האלקטרונים שלהם רגישים לכיוון של שדות לייזר מיושמים. חומרים כיראליים, או חומרים בעלי סימטריה מיוחדת, נמצאים בדרך כלל במזונות ובתרופות. דוגמה היא ממתיק אספרטיים: הגרסה השמאלית מתוקה, ואילו הגרסה הימנית לא.
פתרון פאזל מוזר
בעוד שתיאוריות קודמות הניחו שאי אפשר ליצור אור מקוטב אליפטי באמצעות תצורה של שני פולסים מקוטבים צולבים, בשנת 2015, מחקר ניסיוני הביא את התוצאה המדויקת הזו. Ghomashi פירט: "בזמנו, לפיזיקה התיאורטית לא היה הסבר לאליפטיות שנוצרה בניסוי הזה וטענה שהיא, למעשה, לא צריכה להתקיים. זו הייתה חידה שצריך לפתור".
מסוקרן מהסתירה הזו, Ghomashi, סיים לאחרונה את לימודי הדוקטורט של JILA. הסטודנט ספנסר ווקר, ובקר פיתחו שיטה לניתוח מערך הניסוי בסימולציות ממוחשבות. התוצאות של אותן סימולציות הניבו את אותן תוצאות כמו שנמצאו בניסוי 2015 עבור קבוצות מסוימות של פרמטרים של שני פולסי הלייזר המקוטבים.
"אתה חייב למצוא את מה שאנו מכנים 'הנקודה המתוקה' – זה לא רק פרמטר אחד – אלא אתה צריך לכוון כמה פרמטרים בו-זמנית", הוסיף Ghomashi.
מלבד התעסקות עם אורך הדופק של הלייזרים, החוקרים גם כוונו עדין את העוצמה (או את שיא השדות החשמליים) של שתי קרני הלייזר, כאשר קרן אחת הייתה חזקה יותר מהשנייה. התוצאה של מניפולציה של שני הפרמטרים הללו יצרה "אזור זהב" להפקת אור HHG הנדיר בצורת אליפטה.
ווקר הרחיב כי "על ידי הפחתת משך הדופק, אנו שולטים בכמות הקרינה בשני הכיוונים (ה-x וה-y) בו זמנית. ואם יש לך פליטה בשני הכיוונים באנרגיה הנכונה, יש לך אליפטיות."
בגלל הפשטות של שיטה זו, החוקרים מקווים שניתן יהיה לפיסיקאים אחרים לשחזר את תוצאותיהם במערך ניסוי כדי לאמת את הפרשנות התיאורטית שלהם.
"זה פותר חידה מוזרה בקהילת המדע", קבע בקר, "שהוא תמיד חשוב למדענים ולחוקרים".
ככל שעמיתי JILA, מרגרט מורנה והנרי קפטיין, מפתחים כמה מהגדרות הלייזר המדויקות ביותר בעולם, בדיקת הקונספט של הצוות ב-JILA תהיה אפשרית. "המנגנון, אז איך לשנות את הכפתורים ומדוע התאמת הפרמטרים משיגה את התוצאה, הוא פשוט מאוד", אמר ווקר. "זה רק עניין של הפרטים."
