Extreme ultraviolet vortex light tubes by chromatic wavefront shaping of high harmonics
Questo articolo introduce una strategia per la generazione di tubi di luce ultravioletta estrema (EUV) estesi mediante l'uso della modellazione cromatica del fronte d'onda per fondere i fuochi vorticosi armonici successivi lungo l'asse di propagazione, creando così campi EUV ultrafast longitudinalmente strutturati che sono completamente disaccoppiati dal processo di generazione e adattabili a varie sorgenti a banda larga.
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La luce è molto più di un semplice raggio che illumina una stanza; è un campo complesso che può essere modellato, torcendo e temporizzato con incredibile precisione. Per decenni, gli scienziati hanno imparato a scolpire la luce in forme specifiche, conferendole proprietà come una forma a elica che trasporta un tipo unico di rotazione chiamata momento angolare orbitale. Questi fasci torcenti, noti come fasci a vortice, sono diventati potenti strumenti per studiare i materiali magnetici e per spingere i limiti della tecnologia di imaging. Mentre i ricercatori hanno imparato a creare queste forme con la luce visibile, portare lo stesso concetto nell'intervallo dell'estremo ultravioletto — uno spettro di luce così energetico da poter rivelare il funzionamento interno di atomi e molecole — si è rivelato difficile. La sfida risiede nel fatto che la luce dell'estremo ultravioletto si comporta diversamente dalla luce che vediamo, e gli strumenti utilizzati per modellarla spesso faticano a gestire l'ampia gamma di colori presenti in questi impulsi ad alta energia.
Un team di ricercatori ha ora trovato un modo per trasformare un limite noto di questi strumenti in una nuova, potente caratteristica. Lavorando con impulsi di luce ad alta energia generati da un gas, hanno creato un lungo tubo di luce cavo che mantiene la sua forma torcente su una distanza sorprendentemente lunga. Invece di cercare di costringere tutti i diversi colori della luce a focalizzarsi esattamente nello stesso punto, gli scienziati hanno deliberatamente permesso loro di focalizzarsi in posizioni leggermente diverse lungo il percorso del fascio. Questo uso intelligente della naturale tendenza della luce a separarsi per colore ha dato come risultato una struttura continua ed estesa che si comporta come un tubo solido di energia torcente, piuttosto che come una serie di punti disconnessi.
L'esperimento è iniziato con un impulso laser standard, che è stato focalizzato in una cella riempita di gas argon. Questo processo, noto come generazione di armoniche elevate, converte la luce laser in un burst di impulsi dell'estremo ultravioletto contenenti uno spettro di colori differenti, o armoniche. I ricercatori hanno poi posizionato un elemento ottico specializzato, una piastra a zona a spirale, direttamente nel percorso di questa nuova luce. Questo dispositivo è un disco piatto con un motivo di anelli concentrici che si avvitano come una spirale. Quando la luce multicolore passa attraverso di esso, il motivo a spirale imprime una torsione sul fronte d'onda di ogni colore, trasformando il fascio in un vortice.
Ordinarimente, una lente o una piastra a zona focalizzano i diversi colori a distanze differenti, una proprietà chiamata cromaticità che di solito sfoca l'immagine o rompe la struttura. In questo studio, il team ha abbracciato questo effetto. Poiché i diversi colori nel fascio si focalizzavano in punti leggermente diversi lungo il percorso del fascio, i loro singoli punti focali si sovrapponevano per formare un tubo di luce singolo e continuo. I ricercatori hanno misurato questo tubo come avente un diametro di circa 10 micrometri e una lunghezza di 18 millimetri. Questo è un traguardo significativo perché crea un campo strutturato e stabile che persiste su una distanza molto più lunga di quanto permetterebbe il fuoco di un singolo colore.
Per capire come questo tubo di luce sia effettivamente fatto e come si comporti, il team ha utilizzato un rivelatore a cristallo di fluoruro di litio. Mentre la luce passava attraverso il cristallo, lasciava dietro di sé una registrazione permanente della sua forma sotto forma di difetti microscopici. Scansionando il cristallo lungo il percorso del fascio, i ricercatori hanno potuto mappare l'intensità della luce in diversi punti. Hanno scoperto che il centro cavo del vortice, dove non esiste luce, rimaneva costante per tutta la lunghezza del tubo. Hanno anche confermato che la luce trasportava la torsione prevista, o carica topologica, analizzando i modelli di interferenza creati quando la luce interagiva con se stessa. I modelli mostravano chiare strutture a spirale, confermando che la luce era effettivamente un vortice con le proprietà specifiche progettate.
Le simulazioni al computer hanno fornito uno sguardo più profondo sulla natura di questa luce, rivelando che il tubo non è solo una forma statica, ma un treno dinamico di impulsi ultrafast. La luce viaggia come una serie di vortici a femtosecondi, ciascuno della durata di circa un femtosecondo, ovvero un milionesimo di miliardesimo di secondo. Questi impulsi si muovono insieme lungo il tubo, mantenendo la loro struttura durante la propagazione. Le simulazioni hanno mostrato che, anche se i diversi colori si focalizzano in punti differenti, la temporizzazione degli impulsi è preservata, il che significa che la natura ultrafast della luce non viene persa nel processo. Ciò suggerisce che il tubo di luce è composto da un flusso di incredibilmente brevi impulsi di energia torcenti che potrebbero essere utilizzati per sondare la materia sulle scale più piccole di tempo e spazio.
I ricercatori hanno dimostrato che questo metodo funziona con diversi tipi di torsioni, utilizzando piastre a spirale progettate per creare una singola torsione o una doppia torsione nella luce. In entrambi i casi, il risultato è stato un tubo di luce stabile ed esteso. Questo approccio offre un nuovo modo per ingegnerizzare i campi di luce senza la necessità di cambiare la sorgente della luce stessa. Semplicemente sostituendo l'elemento ottico alla fine del fascio, gli scienziati possono ora creare diverse strutture longitudinali, aprendo possibilità per l'imaging avanzato, la metrologia e la litografia. Il lavoro dimostra che, comprendendo e utilizzando le proprietà naturali della luce e dell'ottica, invece di combatterle, è possibile creare campi strutturati complessi che erano precedentemente difficili da ottenere nell'intervallo dell'estremo ultravioletto.
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