Generation of bright quantum high-order harmonic driven by combined coherent and bright squeezed vacuum light

Resumen Técnico: Generación de Armónicos de Orden Superior Cuánticos Brillantes Impulsados por Luz Combinada de Vacío Coherente y de Vacío Exprimido Brillante

Planteamiento del Problema
La generación de armónicos de orden superior (HHG) impulsada por láseres coherentes intensos ha establecido los pulsos de attosegundos como una herramienta primaria para rastrear la dinámica electrónica. Esfuerzos teóricos y experimentales recientes han explorado el impulso de la HHG con fuentes de luz cuántica, como el vacío exprimido brillante (BSV), para sondear las correlaciones cuántico-mecánicas y transferir estados cuánticos a la radiación emitida. Si bien se han investigado las respuestas de átomos individuales ante campos de excitación cuánticos, los efectos de propagación macroscópica de la generación de armónicos de orden superior cuánticos (QHHG) en medios densos permanecen en gran medida inexplorados. Específicamente, no está claro cómo las grandes fluctuaciones del número de fotones inherentes a los campos BSV influyen en el ajuste de fase, la coherencia y las propiedades cuánticas resultantes de las fuentes XUV brillantes durante la propagación a través de un gas atómico.

Metodología
El estudio emplea un enfoque combinado experimental y teórico para investigar la QHHG en gas de criptón (Kr).

• Configuración Experimental: Un pulso láser coherente de 800 nm y 35 fs se divide en dos brazos. Un brazo sirve como el campo de excitación coherente fuerte. El otro brazo genera un campo BSV débil de 1600 nm mediante la conversión paramétrica descendente espontánea (SPDC) en un cristal de borato de bario $\beta$ (BBO). Los dos campos se recombinan para formar un campo de dos colores cuántico que interactúa con el gas Kr en una celda de 3 mm. La presión del gas se controla con precisión (5–60 Torr) para estudiar las condiciones de ajuste de fase. Los espectros armónicos se registran utilizando un espectrómetro XUV construido internamente. El campo BSV se caracteriza por una función de correlación de segundo orden $g^{(2)}(0) = 2.324$, confirmando su naturaleza no clásica.
• Modelado Teórico: Los autores realizan simulaciones de propagación macroscópica resolviendo la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo unidimensional (1D-TDSE) acoplada con las ecuaciones de Maxwell. El campo de excitación se modela como una superposición de un componente fundamental de 800 nm sin ruido y un campo BSV de 1600 nm caracterizado por una distribución de Husimi. Para contabilizar las fluctuaciones cuánticas, se muestrean aleatoriamente 1,000 realizaciones de disparo único del campo BSV. Se establece un modelo de mezcla de ondas para analizar el mecanismo de ajuste de fase, descomponiendo la fase de acción del electrón en un componente coherente y un término de perturbación inducido por el campo BSV.

Contribuciones Clave y Resultados

1. Generación de Componentes Armónicos Cuánticos:
   El experimento genera con éxito un espectro que contiene no solo los armónicos impares dominantes ($H_{2N+1}$) impulsados por el campo coherente, sino también nuevas características espectrales inducidas por el campo BSV:

   • Armónicos de medio entero ($H_{(2N+1)\pm 1/2}$): Resultantes de la absorción o emisión de un solo fotón BSV.
   • Armónicos de orden par ($H_{2N}$): Resultantes de la absorción y emisión de dos fotones BSV.
     La presencia de estos componentes confirma la transferencia de las propiedades cuánticas del campo BSV de excitación a la radiación XUV.

2. Rendimientos Distintos Dependientes de la Presión:
   Un hallazgo crítico es que los diferentes componentes armónicos exhiben rendimientos óptimos significativamente distintos para la presión de gas máxima, lo que indica condiciones de ajuste de fase distintas:

   • Los armónicos impares ($H_{2N+1}$) alcanzan su máximo alrededor de 20–24 Torr.
   • Los armónicos de medio entero ($H_{2N \pm 1/2}$) muestran dependencias de presión que varían según el componente (por ejemplo, $H_{20.5}$ alcanza su máximo a 27 Torr, mientras que $H_{21.5}$ lo hace a 13 Torr).
   • Los armónicos de orden par ($H_{2N}$) requieren presiones mucho más altas, alcanzando su máximo entre 30 y 44 Torr.
     Esto contrasta con el comportamiento de los armónicos impares impulsados únicamente por el campo coherente, que se mantienen consistentes con las expectativas estándar de ajuste de fase.

3. Mecanismo de Perturbación del Desajuste de Fase:
   El análisis teórico revela que el campo BSV perturba la fase de acción ($\phi_{act}$) del paquete de ondas del electrón. Aunque el campo BSV es demasiado débil para alterar significativamente el grado de ionización (y, por tanto, las contribuciones del índice de refracción de los átomos neutros y el plasma), introduce un término de perturbación $\sigma$ a la fase de acción.

   • El desajuste de fase $\Delta k$ se modifica por el gradiente de esta perturbación ($\nabla \sigma$).
   • Debido a que el campo BSV tiene una amplitud fluctuante y una ambigüedad de fase $0-\pi$, la perturbación $\sigma$ varía de un disparo a otro.
   • Esto resulta en diferentes presiones de gas óptimas para las cuatro rutas de emisión distintas (etiquetadas como P1–P4) que contribuyen al espectro final. El rendimiento macroscópico es una integración de estas contribuciones fluctuantes.

4. Fluctuaciones Cuánticas y Funciones de Correlación:
   El estudio analiza las fluctuaciones de intensidad de disparo a disparo y la función de correlación de segundo orden $g^{(2)}(0)$.

   • Los armónicos impares ($H_{2N+1}$) exhiben estadísticas de tipo Gaussiano con $g^{(2)}(0) \approx 1.1$, similares a la luz coherente.
   • Los armónicos de medio entero ($H_{2N \pm 1/2}$) muestran características de super-agrupamiento (super-bunching) con $g^{(2)}(0) \approx 2$.
   • Los armónicos de orden par ($H_{2N}$) exhiben un fuerte super-agrupamiento con $g^{(2)}(0) > 4$.
     Se observa que los valores de $g^{(2)}(0)$ son altamente sensibles a la presión del gas, particularmente en regímenes de desajuste de fase, donde los efectos de propagación macroscópica influyen significativamente en las estadísticas cuánticas observadas.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados sientan las bases para el establecimiento y la aplicación de la espectroscopía de attosegundos cuántica. Al demostrar que las condiciones de propagación macroscópica (específicamente la presión del gas) pueden utilizarse para controlar la intensidad relativa y las propiedades cuánticas (fluctuaciones y agrupamiento) de las fuentes XUV cuánticas brillantes, este trabajo proporciona una vía para generar pulsos de attosegundos a medida con estados cuánticos específicos. La capacidad de manipular el ajuste de fase de ráfagas de attosegundos de sub-ciclo mediante una débil perturbación cuántica ofrece un nuevo grado de libertad para sondear las correlaciones cuántico-mecánicas en la materia.