Lasers polarizados de alta geração harmônica

Dois lasers polarizados com potência diferente se combinam no processo de Geração de Altos Harmônicos. Crédito
Steven Burrows/Grupo Becker

Um novo estudo da JILA apresenta um método simples para gerar luz elipticamente polarizada, essencial para pesquisas avançadas de materiais, desafiando limitações teóricas anteriores.

Em um novo estudo publicado em Relatórios Científicos, Andreas Becker, professor de física da JILA e professor de física da Universidade do Colorado em Boulder, e sua equipe teorizaram um novo método para produzir luz ultravioleta extrema (EUV) e raios X com polarização elíptica, uma forma especial na qual a direção da oscilação das ondas de luz está mudando. Este método poderia fornecer aos experimentalistas uma técnica simples para gerar tal luz, o que é benéfico para os físicos compreenderem melhor as interações entre os elétrons nos materiais no nível quântico, abrindo caminho para projetar melhores dispositivos eletrônicos, como placas de circuito, painéis solares e mais.

Processo de geração de alto harmônico

Muitos físicos usam um processo chamado Geração de Altos Harmônicos (HHG) como fonte para gerar EUV ultracurto e luz laser de raios X e usam essa luz para estudar a dinâmica ultrarrápida de partículas carregadas em diferentes materiais. Ao disparar pulsos de laser de alta potência em um gás de átomos, os pesquisadores podem forçar os átomos a absorver os fótons dos pulsos de laser. Isso faz com que os elétrons nos átomos saltem para um nível de energia mais alto, depois voltem ao nível fundamental e emitam energia à medida que os átomos irradiam em múltiplos integrais da frequência do laser.
O estudante de graduação e primeiro autor da JILA, Bejan Ghomashi, explicou que “essas (energias) serão os harmônicos. Então, se uma luz de 800 nanômetros for absorvida, ela também será emitida, junto com 400 nanômetros, 200 nanômetros, etc.”

Este processo pode ser convenientemente realizado em uma configuração de laser de mesa, conforme pioneiro nos laboratórios dos bolsistas JILA Margaret Murnane e Henry Kapteyn. Isso dá aos cientistas uma opção relativamente econômica para aprender mais sobre a dinâmica de elétrons ultrarrápidos.

“Mais pessoas têm acesso a uma ideia e podem explorá-la”, acrescentou Becker.

Criando estados de luz de polarização

A polarização da luz é uma forma de descrever a direção na qual as ondas de luz estão oscilando. Mais especificamente, a polarização descreve em que direção a oscilação do campo elétrico da luz num feixe de laser varia ao longo do tempo. Por exemplo, o campo elétrico da luz pode oscilar ao longo de uma linha, tornando-a polarizada linearmente. Em outros casos, a direção do campo elétrico oscilante pode girar, tornando a luz polarizada circularmente. Criar luz na qual o campo elétrico varia ao longo de uma forma elíptica é um meio-termo entre a luz pura linearmente polarizada e a circularmente polarizada.

Historicamente, no entanto, tem sido um desafio produzir luz HHG elipticamente polarizada, mas neste novo estudo, Becker e sua equipe exploraram como usar dois lasers polarizados linearmente cruzados em diferentes frequências e direções para produzir esta forma desejada. Ao contrário de outros métodos mais complexos propostos para gerar HHG elipticamente polarizado, uma configuração experimental com dois pulsos de laser polarizados cruzados interagindo com um gás atômico é relativamente simples.

Fontes de raios X elipticamente polarizados e luz EUV podem ser úteis para ajudar no estudo de materiais quirais e magnéticos, pois seus elétrons são sensíveis à direção dos campos de laser aplicados. Materiais quirais, ou materiais com simetria especial, são comumente encontrados em alimentos e medicamentos. Um exemplo é o adoçante aspartame: a versão para canhotos é doce, enquanto a versão para destros não é.

Resolvendo um quebra-cabeça estranho

Embora teorias anteriores postulassem que é impossível criar luz elipticamente polarizada usando a configuração de dois pulsos polarizados cruzados, em 2015, um estudo experimental produziu esse resultado exato. Ghomashi elaborou: “Na época, a física teórica não tinha explicação para a elipticidade gerada neste experimento e argumentou que ela, de fato, não deveria existir. Este era um quebra-cabeça a ser resolvido.”

Intrigado com esta discrepância, Ghomashi, recentemente formou-se JILA Ph.D. o aluno Spencer Walker e Becker desenvolveram um método para analisar a configuração experimental em simulações de computador. Os resultados dessas simulações produziram os mesmos resultados encontrados no experimento de 2015 para certos conjuntos de parâmetros dos dois pulsos de laser polarizados cruzados.

“É preciso encontrar o que chamamos de ‘ponto ideal’ – não é apenas um parâmetro – mas é preciso ajustar vários parâmetros simultaneamente”, acrescentou Ghomashi.

Além de mexer no comprimento do pulso dos lasers, os pesquisadores também ajustaram a intensidade (ou o pico dos campos elétricos) dos dois feixes de laser, onde um feixe era mais intenso que o outro. O resultado da manipulação desses dois parâmetros criou uma “zona Cachinhos Dourados” para produzir a rara luz HHG de formato elíptico.

Walker elaborou que “ao reduzir a duração do pulso, controlamos a quantidade de radiação em ambas as direções (x e y) simultaneamente. E se você tiver emissão em ambas as direções com a energia certa, você terá elipticidade.”

Devido à simplicidade deste método, os investigadores esperam que seja possível a outros físicos reproduzir os seus resultados numa configuração experimental, a fim de validar a sua interpretação teórica.

“Isso resolve um estranho quebra-cabeça na comunidade científica”, afirmou Becker, “que é sempre importante para cientistas e pesquisadores”.

À medida que os bolsistas da JILA, Margaret Murnane e Henry Kapteyn, desenvolvem algumas das configurações de laser de mesa mais precisas do mundo, também seria possível testar o conceito da equipe na JILA. “O mecanismo, como alterar os botões e por que ajustar os parâmetros atinge o resultado, é muito simples”, disse Walker. “É apenas uma questão de detalhes.”

Referência: “Habilitando geração de alto harmônico elipticamente polarizada com pulsos de laser polarizados cruzados curtos” por B. Ghomashi, S. Walker e A. Becker, 8 de agosto de 2023, Relatórios Científicos.
DOI: 10.1038/s41598-023-39814-y



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