Explotación de estados autoionizantes oscuros para mejorar los láseres ultravioleta extremos

30 de marzo de 2023

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por el Instituto Nacional de Investigaciones Científicas - INRS

Un equipo de investigación internacional dirigido por los profesores Tsuneyuki Ozaki y François Légaré del Institut national de la recherche scientifique (INRS) ha desarrollado un método único para mejorar la potencia de una fuente láser que emite pulsos de luz ultravioleta extrema. El mecanismo subyacente del fenómeno recién observado implica el papel único de los estados autoionizantes oscuros a través del acoplamiento con otros estados electrónicos pertinentes.

Gracias a este trabajo, el equipo podrá estudiar la dinámica ultrarrápida de un solo estado autoionizante oscuro en la escala de tiempo de femtosegundos, lo que antes era imposible debido a su incapacidad para someterse a la emisión o absorción de un solo fotón, combinado con el tiempo de vida ultracorto de estos estados

Publicados recientemente en la revista Physical Review Letters, sus resultados permiten la generación de luz ultravioleta extrema ultrarrápida relevante para aplicaciones científicas ultrarrápidas avanzadas, como la espectroscopia de fotoemisión de resolución angular y la microscopía electrónica de fotoemisión.

Este trabajo se realizó en colaboración con el profesor Vasily Strelkov del Instituto de Física General Prokhorov de la Academia de Ciencias de Rusia, Rusia, y el profesor asistente de investigación Muhammad Ashiq Fareed de la Universidad de Nebraska-Lincoln, EE. UU.

En sus laboratorios en el Centro de Investigación de Telecomunicaciones Énergie Matériaux, los profesores Tsuneyuki Ozaki y François Légaré, junto con Ph.D. estudiante Mangaljit Singh, han estado explotando tipos especiales de estados electrónicos, conocidos como estados autoionizantes oscuros. Su trabajo se logró mediante la generación de armónicos de alto orden, un fenómeno óptico poco convencional para la física láser.

"Los resultados recientemente publicados son un paso adelante no solo en la comprensión del comportamiento de los estados autoionizantes oscuros bajo intensas interacciones ultrarrápidas de láser-materia, sino también en traer fuentes intensas de láser ultravioleta extremo desde instalaciones de láser de electrones libres y sincrotrón a gran escala al laboratorios láser de tamaño moderado", dice Ph.D. estudiante Mangaljit Singh, primer autor del estudio.

Muchas limitaciones impuestas por los fundamentos de la física del láser restringen la mayoría de los láseres utilizados en medicina, comunicaciones o industria. Del mismo modo, tienden a operar solo en el rango de longitud de onda ultravioleta, visible (de violeta a rojo) o en el infrarrojo cercano y medio invisible. Sin embargo, muchas aplicaciones científicas avanzadas requieren que los láseres operen en longitudes de onda más cortas en el rango ultravioleta extremo.

Los sistemas de última generación emplean fuentes de láser primario disponibles comercialmente para la generación de armónicos de alto orden a partir de gases nobles para desarrollar fuentes secundarias de luz ultravioleta extrema coherente.

En este estudio, en lugar de gases nobles, Singh y sus colegas utilizaron un penacho ablacionado con láser (obtenido a partir de la ablación con láser de un material sólido) para la generación de armónicos de alto orden en sincronía con la respuesta única de los estados autoionizantes oscuros.

Descubrieron que bajo ciertas condiciones de resonancia gobernadas por los parámetros primarios del láser y la estructura electrónica de las especies atómicas e iónicas en la pluma ablacionada con láser, la eficiencia de conversión y, por lo tanto, la potencia de la fuente de láser ultravioleta extrema aumenta en más de diez veces. Esto implica que se puede obtener la misma potencia ultravioleta extrema usando un láser primario con una potencia que es una décima parte de la potencia requerida para un gas noble típico.

Además de proporcionar una fuente de luz ultravioleta extrema intensa, este estudio también muestra por primera vez la posibilidad de estudiar la dinámica de los estados autoionizantes oscuros en la escala de tiempo de femtosegundos utilizando la técnica de espectroscopia de armónicos altos. Tales estados oscuros podrían ser la base de varias tecnologías cuánticas, especialmente para mejorar el rendimiento de la computación cuántica.

Más información: Mangaljit Singh et al, Formación de estado resonante ultrarrápido por el acoplamiento de Rydberg y estados autoionizantes oscuros, Cartas de revisión física (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.073201

Información del diario:Cartas de revisión física

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