Controlled generation of high-harmonic spatiotemporal optical vortices

Stel je licht niet alleen voor als een rechte straal, maar als een kolkende, draaiende lint van energie. Decennialang wisten wetenschappers al dat licht kan draaien als een tol (spin-impulsmoment) en dat het een "draai" in zijn vorm kan dragen, zoals een kurkentrekker (baanimpulsmoment). Meestal vinden deze draaiingen plaats over de breedte van de straal. Maar onlangs ontdekten natuurkundigen een vreemdere soort draai: een "spatiotemporele optische vortex" (STOV). Denk hierbij niet alleen aan een kolkend lint, maar aan een golfpakket waarbij de draai tegelijkertijd in ruimte en tijd plaatsvindt. Het is als een rimpeling in een vijver die niet alleen naar buiten beweegt, maar ook draait terwijl hij vooruitgaat, waarbij het een geheime "topologische lading" met zich meedraagt die het doet gedragen als een kleine, onzichtbare tornado.

Waarom is dit belangrijk? Omdat als we deze draaiingen kunnen beheersen, we ze zouden kunnen gebruiken om de kleinste, snelste gebeurtenissen in het universum te onderzoeken, zoals hoe elektronen tussen energieniveaus in atomen springen. Maar er is een addertje onder het gras: tot nu toe hebben we deze draaiende golven meestal alleen kunnen maken met gewoon, zichtbaar licht. Om echt te kunnen zien wat er binnenin atomen gebeurt, hebben we licht nodig met veel hogere energie, in het extreem ultraviolette (XUV) bereik. De grote vraag was: kunnen we deze delicate, draaiende STOVs meenemen naar deze superhoge energieën zonder hun speciale vorm te verliezen?

Dit artikel zegt: ja. De onderzoekers aan de Université Paris-Saclay zijn erin geslaagd om hun "kolkende tornado"-pulsen van infrarood licht te nemen en ze tegen een wolk argongas aan te smijten. Dit proces, genaamd hoge-harmonische generatie, werkt als een kosmische upconverter die het laag-energetische infrarood licht omzet in hoog-energetisch XUV-licht. Het team ontdekte dat de speciale draaiende vorm de transformatie niet alleen overleefde, maar zelfs werd versterkt. Als het oorspronkelijke licht een draai van 1 had, had het nieuwe XUV-licht een draai van 25 (of wat de energievermenigvuldiging ook was). Ze bewezen dit door aan te tonen dat het nieuwe licht perfecte ringen vormde in een detector, net als een doelwit, en dat de grootte van deze ringen exact veranderde zoals voorspeld door de wiskunde wanneer ze de oorspronkelijke puls aanpasten.

Om te begrijpen hoe ze dit deden, stel je voor dat je een bericht probeert te schrijven op een stuk papier dat wordt uitgerekt en samengedrukt. Het team bouwde een speciale "pulsvormer" met behulp van spiegels en lenzen om hun laserstraal te boetseren. Ze namen een standaard laserpuls en stuurden deze door een apparaat dat de kleuren ervan verspreidde, zoals een prisma. Vervolgens plaatsten ze een speciale "vortexplaat" in het midden van deze uitgespreide regenboog. Deze plaat fungeerde als een sjabloon die een spiraalpatroon op de kleuren van het licht imprinteerde. Wanneer het licht weer werd samengevoegd, was het niet langer alleen een straal; het was een STOV-puls, een golf waarbij de piekintensiteit een ring vormde in zowel ruimte als tijd.

De uitdaging was dat deze STOV-pulsen lastig zijn. Als je probeert ze te sterk te maken, kunnen ze uit elkaar vallen of hun vorm verliezen. Het team moest zeer precies te werk gaan, waarbij ze een 2 millijoule laser gebruikten en hun apparatuur zorgvuldig afstelden om ervoor te zorgen dat de puls een perfecte, cirkelvormige ring bleef. Ze vuurden deze gevormde pulsen af op een jet van argongas. Wanneer de intense laser het gas raakte, rukte het elektronen los en smeet ze vervolgens weer terug, waardoor de atomen licht uitstootten op veel hogere frequenties (de harmonieken).

De resultaten waren een match met de theorie. Wanneer ze naar het nieuwe XUV-licht keken, zagen ze dat het een ringpatroon vormde, net als de oorspronkelijke infraroodpuls, maar dan veel kleiner en energieker. De sleutel ontdekking was de relatie tussen de "draai" van het oorspronkelijke licht en het nieuwe licht. Als de oorspronkelijke puls een topologische lading $\ell$ had, dan had de $q$-de harmonische (de $q$-de kleur van het nieuwe licht) een lading van $\ell_q = q \times \ell$. Het was alsof de draaikracht werd vermenigvuldigd met de energieboost. Bijvoorbeeld: een puls met een draai van 1 creëerde nieuw licht met een draai van 25 voor de 25ste harmonische.

Ze testten ook hoe robuust deze draaiende pulsen waren door de gasjet iets dichter bij of verder van het focuspunt te bewegen. Bij normaal licht zou het een klein beetje verschuiven de gasjet de helderheid slechts veranderen. Maar bij STOVs veranderde het bewegen van het gas de vorm van de puls zelf. Naarmate de puls zich verder van het perfecte focuspunt bewoog, viel de mooie cirkelvormige ring uiteen in duidelijke lobben, zoals een bloemblad dat opent. Het XUV-licht dat ze produceerden, weerspiegelde deze verandering perfect, wat bewees dat het nieuwe licht een getrouwe, hoog-energetische kopie was van de oorspronkelijke gedraaide puls.

Dit werk is een belangrijke stap voorwaarts omdat het laat zien dat we deze exotische, in de tijd draaiende vortexen nu ook in het extreem ultraviolette bereik kunnen creëren. Het is niet alleen een theoretische curiositeit; het opent de deur om deze XUV-STOVs als sondes te gebruiken. Omdat ze een specifiek type impulsmoment dragen, zouden ze gebruikt kunnen worden om te bestuderen hoe elektronen in ruimte en tijd bewegen, wat potentieel nieuwe details kan onthullen over hoe licht en materie met elkaar interageren op de snelste denkbare snelheden. Het team bevestigde hun bevindingen met zowel experimenten als computersimulaties, waarmee zij aantoonden dat de fysica standhoudt, zelfs wanneer het licht zo wild en energierijk wordt.