Controlled generation of high-harmonic spatiotemporal optical vortices

Immaginate la luce non solo come un raggio rettilineo, ma come un nastro di energia che ruota e si avvita. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che la luce può ruotare come una trottola (momento angolare di spin) e che può trasportare una "torsione" nella sua forma, come un tappo a vite (momento angolare orbitale). Di solito, queste torsioni avvengono attraverso la larghezza del raggio. Ma recentemente, i fisici hanno scoperto un tipo di torsione ancora più strano: un "vortice ottico spazio-temporale" (STOV). Pensate a questo non solo come a un nastro rotante, ma come a un pacchetto d'onda dove la torsione avviene simultaneamente nello spazio e nel tempo. È come l'increspatura in uno stagno che non si muove solo verso l'esterno, ma ruota anche mentre avanza, trasportando una "carica topologica" segreta che la fa comportare come un piccolo tornado invisibile.

Perché questo è importante? Perché se riuscissimo a controllare queste torsioni, potremmo essere in grado di usarle per sondare gli eventi più piccoli e veloci dell'universo, come il salto degli elettroni tra i livelli energetici degli atomi. Tuttavia, c'è un ostacolo: finora siamo stati in grado di creare queste onde rotanti solo con la luce ordinaria e visibile. Per vedere davvero cosa succede all'interno degli atomi, abbiamo bisogno di luce con un'energia molto più elevata, nell'intervallo dell'ultravioletto estremo (XUV). La grande domanda era: possiamo prendere questi delicati impulsi rotanti STOV e portarli a queste energie super elevate senza perdere la loro forma speciale?

Questo articolo dice di sì. I ricercatori dell'Université Paris-Saclay sono riusciti a prendere i loro impulsi di luce infrarossa a forma di "tornado rotante" e li hanno scagliati contro una nuvola di gas argon. Questo processo, chiamato generazione di armoniche elevate, agisce come un upconverter cosmico, trasformando la luce infrarossa a bassa energia in luce XUV ad alta energia. Il team ha scoperto che la speciale forma rotante non solo è sopravvissuta alla trasformazione, ma è stata anche amplificata. Se la luce originale aveva una torsione di 1, la nuova luce XUV aveva una torsione di 25 (o qualunque fosse il moltiplicatore di energia). Lo hanno dimostrato mostrando che la nuova luce formava cerchi perfetti in un rilevatore, proprio come un bersaglio, e che le dimensioni di questi cerchi cambiavano esattamente come previsto dalla matematica quando modificavano l'impulso originale.

Per capire come ci sono riusciti, immaginate di cercare di scrivere un messaggio su un pezzo di carta che viene stirato e schiacciato. Il team ha costruito un particolare "modellatore di impulsi" usando specchi e lenti per scolpire il loro raggio laser. Hanno preso un impulso laser standard e lo hanno fatto passare attraverso un dispositivo che scompone i suoi colori, come un prisma. Poi, hanno posizionato una speciale "piastra a vortice" nel mezzo di questo arcobaleno disperso. Questa piastra ha agito come uno stencil, imprimendo un modello a spirale sui colori della luce. Quando la luce è stata ricombinata, non era più solo un raggio; era un impulso STOV, un'onda dove l'intensità di picco formava un anello sia nello spazio che nel tempo.

La sfida era che gli impulsi STOV sono complicati. Se si cerca di renderli troppo forti, possono rompersi o perdere la loro forma. Il team ha dovuto essere molto preciso, utilizzando un laser da 2 millijoule e allineando attentamente la propria attrezzatura per garantire che l'impulso rimanesse un anello circolare perfetto. Hanno sparato questi impulsi modellati contro un getto di gas argon. Quando l'intenso laser ha colpito il gas, ha strappato via gli elettroni e poi li ha riportati indietro, facendo sì che gli atomi emettessero nuova luce a frequenze molto più elevate (le armoniche).

I risultati corrispondono alla teoria. Quando hanno esaminato la nuova luce XUV, hanno visto che formava un motivo ad anello, proprio come l'impulso infrarosso originale, ma molto più piccolo ed energetico. La chiave della scoperta è stata la relazione tra la "torsione" della luce originale e la nuova luce. Se l'impulso originale aveva una carica topologica $\ell$, la $q$-esima armonica (il $q$-esimo colore della nuova luce) aveva una carica $\ell_q = q \times \ell$. Era come se la potenza di torsione venisse moltiplicata per il potenziamento energetico. Per esempio, un impulso con una torsione di 1 ha creato una nuova luce con una torsione di 25 per la 25ª armonica.

Hanno anche testato quanto fossero robusti questi impulsi rotanti spostando il getto di gas leggermente più vicino o più lontano dal punto di fuoco. Nella luce normale, spostare il gas di un millimetro potrebbe cambiare solo la luminosità. Ma con gli STOV, spostare il gas cambiava la forma stessa dell'impulso. Man mano che l'impulso si allontanava dal fuoco perfetto, il bel anello circolare si rompeva in lobi distinti, come i petali di un fiore che si apre. La luce XUV prodotta rispecchiava perfettamente questo cambiamento, dimostrando che la nuova luce era una copia fedele e ad alta energia del impulso rotante originale.

Questo lavoro è un passo significativo perché dimostra che ora possiamo creare questi esotici vortici spazio-temporali nell'intervallo dell'ultravioletto estremo. Non è solo una curiosità teorica; apre la porta all'uso di questi STOV XUV come sonde. Poiché trasportano un tipo specifico di momento angolare, potrebbero essere usati per studiare come gli elettroni si muovono nello spazio e nel tempo, rivelando potenzialmente nuovi dettagli su come la luce e la materia interagiscono alle velocità più rapide immaginabili. Il team ha confermato le proprie scoperte sia con esperimenti che con simulazioni al computer, dimostrando che la fisica regge anche quando la luce diventa così selvaggia ed energetica.