Eine mögliche Strategie für einen chiralen Attosekunden-Tischlaser

Wenn sich Moleküle aus vielen Atomen bilden, können sich die Atome auf unterschiedliche Weise verbinden. Zwei Formen desselben Moleküls können dieselbe Zusammensetzung haben, aber unterschiedliche Anordnungen von Atomen haben, was zu Isomeren führt. Einige Isomere können Strukturen haben, die Spiegelbilder voneinander sind. Solche Moleküle werden chirale Moleküle genannt. Wissenschaftler sind daran interessiert, solche Moleküle zu untersuchen, zum Beispiel Penicillin, weil eine Anordnung lebensrettend sein kann, während die andere tödlich sein könnte.

Forscher strahlen extrem kurze Lichtpulse auf Moleküle, um ihre Videos während der interessierenden Prozesse aufzunehmen, damit sie die Struktur oder Bildung des Moleküls untersuchen können. Die Pulse sind so kurz, dass sie in Attosekunden gemessen werden. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Das Licht muss sogenannte zirkular polarisiert sein, um chirale Moleküle untersuchen zu können.

Verschiedene Anordnungen eines chiralen Moleküls reagieren unterschiedlich auf zirkular polarisiertes Licht, was es möglich macht, jede Anordnung zu unterscheiden. Obwohl polarisierte Attosekundenpulse ein großartiges Werkzeug für die Untersuchung chiraler Moleküle sind, kann die Erzeugung solcher Lichtpulse entmutigend und teuer sein und erfordert sperrige Geräte.

Eine neue theoretische Studie von Forschern des Indian Institute of Technology Bombay unter der Leitung von Prof. Gopal Dixit hat ein Schema vorgeschlagen, das eine kompakte Tischquelle für zirkular polarisierte Attosekunden-Laserpulse ermöglicht.

Ihr Rezept schlägt vor, eine Laserquelle mit einem Einfach- und Doppelfrequenzpaar von Laserlicht zu verwenden, das auf ein festes Material wie Graphen scheint, um kurzzeitige Hochfrequenzimpulse zu erzeugen. Das Design schränkt die relativen Intensitäten des Einfach- und Doppelfrequenzlichts nicht ein. Es ist robust gegenüber Unvollkommenheiten in der Intensität der Lichtquelle.

Licht ist eine Transversalwelle. Seine S-förmigen Schwingungen stehen senkrecht zur Bewegungsrichtung; Das heißt, die Welle vibriert auf und ab, während sie sich bewegt. Die Vibrationen können vertikal, horizontal oder in einem beliebigen Winkel dazwischen sein. Dreht sich der Schwingungswinkel in Richtung der Ausbreitungsrichtung gesehen im oder gegen den Uhrzeigersinn, spricht man von zirkular polarisiertem Licht. Das Licht soll eine rechte oder linke Helizität haben.

Forscher verwenden ein Phänomen namens High-Harmonics-Generation, um Pulse von wenigen Attosekunden Länge zu erzeugen. Ein intensiver Laserpuls, in diesem Zusammenhang Antriebsfeld genannt, regt, wenn er auf bestimmte Materialien wie Kryptongas gerichtet wird, die Elektronen im Kryptonatom an, wenn sie das Licht absorbieren. Wenn die Elektronen zur Ruhe zurückkehren, emittieren sie Strahlung, die hohe Harmonische enthält – Frequenzen, die ein paar Hundert- oder sogar Tausendmal höher sind als die Frequenz des ursprünglichen Lasers.

Mit zunehmender Frequenz um ein Vielfaches verringert sich die Länge der Impulse proportional. Wir erhalten also extrem kurze Pulse, einige Attosekunden lang.

Allerdings gibt es einen Haken. Die Verwendung eines Antriebsfeldlaserpulses mit zirkularer Polarisation gewährleistet keine zirkular polarisierten Attosekundenpulse mit ausreichender Intensität.

„Um Phänomene im Zusammenhang mit Chiralität und Magnetismus zu untersuchen, muss die Helizität des Lichts kontrollierbar sein. Es wird schwierig, zirkular polarisierte Laserpulse zu erzeugen, die für die Untersuchung dieser Phänomene nützlich sind“, erklärt Prof. Dixit. Das Aufstrahlen von Laserlicht auf feste Materialien wie Graphen anstelle von Gasen ermöglichte es, intensivere Pulse von zirkular polarisiertem Licht zu erhalten als solche, die mit Gasen erzeugt wurden. Die Verwendung von Festkörpern bietet auch eine zusätzliche Kontrolle über die Polarisation der emittierten Lichtimpulse und ermöglicht eine kompakte Quelle.

Ein früheres Schema verwendete ein einzelnes und ein doppeltes Frequenzpaar mit entgegengesetzter Polarisation, um zirkular polarisierte hohe Harmonische zu erzeugen. Dieses Schema ergibt Lichtimpulspaare mit einer Polarisation, die mit den Quellenimpulsen identisch ist. Die benachbarten harmonischen Frequenzen haben entgegengesetzte Helizitäten (eine folgt der Einzelfrequenz-Helizität, während die andere der Doppelfrequenz-Helizität folgt).

Es fehlen jedoch Frequenzen, die ein Vielfaches der dreifachen Quellfrequenz sind. Verschiedene Schemata, wie etwa das Variieren der Intensitäten der Frequenzen im Quellenlaser und das Einführen zusätzlicher Pulse mit unterschiedlicher Polarisation, lieferten keine wünschenswerte Kontrolle über die Zirkularpolarisation des Attosekundenlasers.

Das IIT-Bombay-Schema schlägt vor, Laserlicht mit einem Einfach- und Doppelfrequenzpaar mit derselben zirkularen Polarisationsrichtung zu verwenden. Das Team hat ein spezifisches Schema entwickelt, das Einzel- und Doppelfrequenzpaar-Laserquellen ohne Rotationssymmetrie verwendet. Alle mit diesem Design erzeugten hohen Harmonischen haben eine identische Helizität, unabhängig von den relativen Intensitäten der Einzel- und Doppelquellfrequenzen.

Die Forscher verwendeten Computersimulationen, um das durch frühere Schemata erhaltene Spektrum sowie ihr Schema zu beobachten. Sie beobachteten, dass ihr Schema robust gegenüber Schwankungen in der Intensität und Phase der antreibenden Laserpulse ist. Ihr vorgeschlagenes Schema kann auf andere 2D-Materialien mit einem hexagonalen Gitter und andere feste Materialien erweitert werden. Die Forscher sagen, dass ihre Arbeit „die Beobachtung chiraler Licht-Materie-Wechselwirkungen in Molekülen und Festkörpern in ihrer natürlichen Zeitskala erleichtern kann“.

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Überprüfung angewendet.