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

Sintesi Tecnica: Generazione di un Brillante Alto Ordine di Armoniche Quantistiche Guidata da Luce Combinata Coerente e Vuoto Squeezed Brillante

Definizione del Problema
La generazione di armoniche di alto ordine (HHG) guidata da intensi laser coerenti ha stabilito gli impulsi attosecond come uno strumento primario per tracciare la dinamica elettronica. Recenti sforzi teorici e sperimentali hanno esplorato la guida della HHG con sorgenti di luce quantistica, come il vuoto squeezed brillante (BSV), per sondare le correlazioni quantomeccaniche e trasferire stati quantistici alla radiazione emessa. Sebbene siano state investigate le risposte di singolo atomo a campi di guida quantistici, gli effetti di propagazione macroscopica della generazione di armoniche di alto ordine quantistica (QHHG) in mezzi densi rimangono ampiamente inesplorati. Nello specifico, non è chiaro come le grandi fluttuazioni del numero di fotoni inerenti ai campi BSV influenzino il phase-matching, la coerenza e le proprietà quantistiche risultanti delle sorgenti XUV brillanti durante la propagazione attraverso un gas atomico.

Metodologia
Lo studio impiega un approccio combinato sperimentale e teorico per investigare la QHHG in krypton (Kr) gassoso.

• Configurazione Sperimentale: Un impulso laser coerente a 800 nm e 35 fs viene diviso in due bracci. Un braccio funge da campo di guida coerente forte. L'altro braccio genera un debole campo BSV a 1600 nm tramite conversione parametrica spontanea verso il basso (SPDC) in un cristallo di borato di bario $\beta$ (BBO). I due campi vengono ricombinati per formare un campo a due colori quantistico che interagisce con il gas Kr in una cella da 3 mm. La pressione del gas è controllata precisamente (5–60 Torr) per studiare le condizioni di phase-matching. Gli spettri armonici sono registrati utilizzando uno spettrometro XUV autocostruito. Il campo BSV è caratterizzato da una funzione di correlazione del secondo ordine $g^{(2)}(0) = 2,324$, confermandone la natura non classica.
• Modellazione Teorica: Gli autori eseguono simulazioni di propagazione macroscopica risolvendo l'equazione di Schrödinger dipendente dal tempo monodimensionale (1D-TDSE) accoppiata con le equazioni di Maxwell. Il campo di guida è modellato come una sovrapposizione di una componente fondamentale a 800 nm priva di rumore e di un campo BSV a 1600 nm caratterizzato da una distribuzione di Husimi. Per tenere conto delle fluttuazioni quantistiche, vengono campionati casualmente 1.000 realizzazioni single-shot del campo BSV. Viene stabilito un modello di miscelazione d'onda per analizzare il meccanismo di phase-matching, scomponendo la fase d'azione dell'elettrone in una componente coerente e un termine di perturbazione indotto dal campo BSV.

Contributi Chiave e Risultati

1. Generazione di Componenti Armoniche Quantistiche:
   L'esperimento genera con successo uno spettro che contiene non solo le armoniche dispari dominanti ($H_{2N+1}$) guidate dal campo coerente, ma anche nuove caratteristiche spettrali indotte dal campo BSV:

   • Armoniche a ordine frazionario ($H_{(2N+1)\pm 1/2}$): Risultanti dall'assorbimento o dall'emissione di un singolo fotone BSV.
   • Armoniche di ordine pari ($H_{2N}$): Risultanti dall'assorbimento e dall'emissione di due fotoni BSV.
     La presenza di queste componenti conferma il trasferimento delle proprietà quantistiche dal campo BSV di guida alla radiazione XUV.

2. Rese Distinte Dipendenti dalla Pressione:
   Un risultato critico è che diverse componenti armoniche esibiscono pressioni di gas ottimali significativamente differenti per la massima resa, indicando condizioni di phase-matching distinte:

   • Le armoniche dispari ($H_{2N+1}$) raggiungono il picco intorno a 20–24 Torr.
   • Le armoniche a ordine frazionario ($H_{2N \pm 1/2}$) mostrano dipendenze dalla pressione che variano per componente (ad esempio, $H_{20.5}$ raggiunge il picco a 27 Torr, mentre $H_{21.5}$ a 13 Torr).
   • Le armoniche pari ($H_{2N}$) richiedono pressioni molto più elevate, con picchi tra 30 e 44 Torr.
     Ciò contrasta con il comportamento delle armoniche dispari guidate esclusivamente dal campo coerente, che rimane coerente con le normali aspettative di phase-matching.

3. Meccanismo di Perturbazione del Disallineamento di Fase:
   L'analisi teorica rivela che il campo BSV perturba la fase d'azione ($\phi_{act}$) del pacchetto d'onda dell'elettrone. Sebbene il campo BSV sia troppo debole per alterare significativamente il grado di ionizzazione (e quindi i contributi dell'indice di rifrazione dagli atomi neutri e dal plasma), esso introduce un termine di perturbazione $\sigma$ alla fase d'azione.

   • Il disallineamento di fase $\Delta k$ è modificato dal gradiente di questa perturbazione ($\nabla \sigma$).
   • Poiché il campo BSV possiede un'ampiezza fluttuante e un'ambiguità di fase $0-\pi$, la perturbazione $\sigma$ varia da uno shot all'altro.
   • Ciò risulta in diverse pressioni di gas ottimali per le quattro distinte vie di emissione (etichettate P1–P4) che contribuiscono allo spettro finale. La resa macroscopica è un'integrazione di questi contributi fluttuanti.

4. Fluttuazioni Quantistiche e Funzioni di Correlazione:
   Lo studio analizza le fluttuazioni di intensità shot-to-shot e la funzione di correlazione del secondo ordine $g^{(2)}(0)$.

   • Le armoniche dispari ($H_{2N+1}$) esibiscono statistiche di tipo Gaussiano con $g^{(2)}(0) \approx 1,1$, simili alla luce coerente.
   • Le armoniche a ordine frazionario ($H_{2N \pm 1/2}$) mostrano caratteristiche di super-bunching con $g^{(2)}(0) \approx 2$.
   • Le armoniche pari ($H_{2N}$) esibiscono un forte super-bunching con $g^{(2)}(0) > 4$.
     I valori di $g^{(2)}(0)$ si dimostrano altamente sensibili alla pressione del gas, in particolare nei regimi di disallineamento di fase, dove gli effetti di propagazione macroscopica influenzano significativamente le statistiche quantistiche osservate.

Significato
L'articolo afferma che questi risultati pongono le basi per l'instaurazione e l'applicazione della spettroscopia quantistica attosecond. Dimostrando che le condizioni di propagazione macroscopica (specificamente la pressione del gas) possono essere utilizzate per controllare l'intensità relativa e le proprietà quantistiche (fluttuazioni e bunching) delle sorgenti XUV quantistiche brillanti, il lavoro fornisce una via per generare impulsi attosecond su misura con stati quantistici specifici. La capacità di manipolare il phase-matching di burst attosecond sub-ciclici tramite una debole perturbazione quantistica offre un nuovo grado di libertà per sondare le correlazioni quantomeccaniche nella materia.