知道「阿秒電子動力學」嗎？與晶體對稱性產生的有趣應用！
DESY和MPSD的科學家利用晶體對稱性和阿秒電子動力學，從具有受控極化狀態的固體中產生了高階諧波。這項新證明的技術可能會在petahertz電子學和新型量子材料的光譜研究中找到有趣應用。氣體中高次諧波產生非線性過程是阿秒科學的基石之一，廣泛應用於許多科學領域，包括物理、化學和生物學。這種強場現象將許多低能光子從強激光脈衝轉換成能量高得多的光子（小百科：「阿托秒」（阿秒）作為一個理論上的時間量程而存在，為10的負18次方秒）。
博科園-科學科普：儘管HHG過程在原子和分子氣體中已被很好地理解，但固體材料中潛在頻率轉換機制目前仍是科學爭議的主題。通過結合HHG實驗和最先進的理論模擬，來自德國elektronon - synchrotron (DESY)和漢堡自由電子激光科學中心(CFEL)的馬克斯·普朗克物質結構和動力學研究所(MPSD)的科學家們現在引入了固體偏振態分辨高諧波光譜，這使得我們能夠更深入地了解電子和結構動力學，它們發生在比光場振蕩時間短的時間尺度上，研究成果發表在《自然通訊》期刊上。
當強激光場(紅色)與晶體固體(白色)相互作用時，發出高階諧波場(藍色和紫紅色)，其偏振態(線性、橢圓或圓形)由晶體對稱性決定，可由強場動力學控制，彩色圖表面顯示了硅的九次諧波的橢圓度。圖片：J. M. Harms, MPSD
發出的諧波場可以以線性方式振蕩，也可以以順時針或逆時針的旋向(即螺旋度)橢圓或圓形旋轉。科學家們現在揭示了諧波的偏振態及其旋向如何編碼晶體結構和超快強場動力學的有價值信息，以及如何控制諧波的偏振態。此外，由於諧波是在單個周期內產生的事件驅動場，該方法天生具有亞光周期時間解析度。本研究了硅和石英的原型材料，建立了新的光譜技術。同時，該方法是通用的，並有望在未來的新型量子材料研究中發現重要的應用，如強相關材料、拓撲絕緣體和磁性材料。亞光周期電子和結構動力學敏感的阿秒計量學為凝聚態超快光譜研究開闢了新途徑。
利用強光波精確控制晶體中的快速載流子動力學對下一代petahertz電子和器件具有很大前景。載流子動力學可以產生驅動場的高次諧波，並向遠紫外區擴展。固體偏振態分辨高次諧波光譜，這為電子和結構子循環動力學提供了更深入的見解。通過對硅和石英的高次諧波產生測量，證明了諧波的極化狀態不僅由晶體對稱性決定，而且由於帶內和帶間的電子動力學相互交織，可以動態控制。利用這種對稱動力學對偶性，有效地從橢圓偏振脈衝產生相干圓偏振諧波。實驗結果得到從頭算模擬的支持，為這一現象的微觀起源提供了證據。
博科園-科學科普｜研究/來自: 馬克斯普朗克物質結構和動力學研究所
參考期刊文獻:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s41467-019-09328-1
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