Extreme ultraviolet vortex light tubes by chromatic wavefront shaping of high harmonics
Este artigo introduz uma estratégia para gerar tubos de luz ultravioleta extrema (EUV) estendidos através do uso de modelagem de frente de onda cromática para fundir focos de vórtice harmônicos sucessivos ao longo do eixo de propagação, criando assim campos de EUV ultrarrápidos longitudinalmente estruturados que são totalmente desacoplados do processo de geração e adaptáveis a várias fontes de banda larga.
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A luz é mais do que apenas um feixe que ilumina uma sala; é um campo complexo que pode ser moldado, torcido e cronometrado com uma precisão incrível. Durante décadas, os cientistas aprenderam a esculpir a luz em formas específicas, conferindo-lhe propriedades como uma forma de saca-rolhas que carrega um tipo único de rotação chamada momento angular orbital. Esses feixes torcidos, conhecidos como feixes de vórtice, tornaram-se ferramentas poderosas para o estudo de materiais magnéticos e para expandir os limites da tecnologia de imagem. Embora os pesquisadores tenham dominado a criação dessas formas com luz visível, levar o mesmo conceito para a faixa do ultravioleta extremo — um espectro de luz tão energético que pode revelar o funcionamento interno de átomos e moléculas — tem se mostrado difícil. O desafio reside no fato de que a luz ultravioleta extrema se comporta de maneira diferente da luz que vemos, e as ferramentas usadas para moldá-la frequentemente lutam contra a ampla gama de cores presentes nesses pulsos de alta energia.
Uma equipe de pesquisadores encontrou agora uma maneira de transformar uma limitação conhecida dessas ferramentas em um novo recurso poderoso. Ao trabalhar com pulsos de luz de alta energia gerados a partir de um gás, eles criaram um longo tubo de luz oco que mantém sua forma torcida ao longo de uma distância surpreendentemente longa. Em vez de tentar forçar todas as diferentes cores da luz a focarem exatamente no mesmo ponto, os cientistas permitiram deliberadamente que elas focassem em posições ligeiramente diferentes ao longo do caminho do feixe. Esse uso inteligente da tendência natural da luz de se separar por cor resultou em uma estrutura contínua e estendida que se comporta como um tubo sólido de energia torcida, em vez de uma série de pontos desconectados.
O experimento começou com um pulso de laser padrão, que foi focado em uma célula preenchida com gás argônio. Este processo, conhecido como geração de harmônicos de alta ordem, converte a luz do laser em uma rajada de pulsos de ultravioleta extremo contendo um espectro de diferentes cores, ou harmônicos. Os pesquisadores então colocaram um elemento óptico especializado, uma placa de zona em espiral, diretamente no caminho desta nova luz. Este dispositivo é um disco plano com um padrão de anéis concêntricos que giram como uma espiral. Quando a luz multicolorida passa por ele, o padrão de espiral imprime uma torção na frente de onda de cada cor, transformando o feixe em um vórtice.
Normalmente, uma lente ou uma placa de zona foca diferentes cores em diferentes distâncias, uma propriedade chamada cromaticidade que geralmente borra a imagem ou quebra a estrutura. Neste estudo, a equipe abraçou esse efeito. Como as diferentes cores no feixe focavam em pontos ligeiramente diferentes ao longo do caminho do feixe, seus focos individuais se sobrepunham para formar um tubo de luz único e contínuo. Os pesquisadores mediram este tubo com cerca de 10 micrômetros de diâmetro e uma extensão de 18 milímetros. Este é um feito significativo porque cria um campo estruturado e estável que persiste ao longo de uma distância muito maior do que o foco de uma única cor permitiria.
Para entender como esse tubo de luz realmente se parece e como ele se comporta, a equipe utilizou um detector de cristal feito de fluoreto de lítio. À medida que a luz passava pelo cristal, ela deixava um registro permanente de sua forma na forma de defeitos microscópicos. Ao escanear o cristal ao longo do caminho do feixe, os pesquisadores puderam mapear a intensidade da luz em diferentes pontos. Eles descobriram que o centro oco do vórtice, onde não existe luz, permanecia consistente ao longo de todo o comprimento do tubo. Eles também confirmaram que a luz carregava a torção pretendida, ou carga topológica, ao analisar os padrões de interferência criados quando a luz interagia consigo mesma. Os padrões mostraram estruturas espirais claras, confirmando que a luz era, de fato, um vórtice com as propriedades específicas que eles projetaram.
Simulações computacionais proporcionaram um olhar mais profundo sobre a natureza desta luz, revelando que o tubo não é apenas uma forma estática, mas um trem dinâmico de pulsos ultrafastos. A luz viaja como uma série de vórtices de femtossegundos, cada um durando apenas cerca de um femtossegundo, que é um quatrilionésimo de segundo. Esses pulsos movem-se juntos ao longo do tubo, mantendo sua estrutura enquanto se propagam. As simulações mostraram que, embora as diferentes cores foquem em pontos diferentes, o tempo dos pulsos é preservado, o que significa que a natureza ultrafasta da luz não é perdida no processo. Isso sugere que o tubo de luz é composto por uma corrente de rajadas de energia incrivelmente curtas e torcidas que poderiam ser usadas para sondar a matéria nas menores escalas de tempo e espaço.
Os pesquisadores demonstraram que este método funciona com diferentes tipos de torções, utilizando placas espirais projetadas para criar uma torção simples ou uma dupla torção na luz. Em ambos os casos, o resultado foi um tubo de luz estável e estendido. Esta abordagem oferece uma nova maneira de projetar campos de luz sem a necessidade de alterar a própria fonte de luz. Simplesmente trocando o elemento óptico ao final do feixe, os cientistas podem agora criar diferentes estruturas longitudinais, abrindo possibilidades para imagens avançadas, metrologia e litografia. O trabalho mostra que, ao compreender e utilizar as propriedades naturais da luz e da óptica, em vez de lutar contra elas, é possível criar campos complexos e estruturados que eram anteriormente difíceis de alcançar na faixa do ultravioleta extremo.
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