康奈爾大學的研究人員開發(fā)出一種能夠?qū)⒓す饷}沖轉(zhuǎn)換成高諧波的納米結(jié)構(gòu)，這可以說是破紀錄式的發(fā)現(xiàn)！他們還研究了發(fā)生在阿秒級到百萬分之一秒的全物理過程，這一發(fā)現(xiàn)為高分辨率成像鋪平了道路。

▲紅外激光擊中磷化鎵(Gallium phosphide)亞表面，有效產(chǎn)生偶次和奇次高次諧波。來源：Daniil Shilkin

長期以來高諧波被用于將脈沖激光器的光子合并成一個能量高得多的超短光子，從而形成各科研和應(yīng)用中所需要的極紫外光和x光。過去諧波的來源主要是氣體放電，但康奈爾大學工程學院應(yīng)用工程物理學教授Gennady Shvets領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已經(jīng)表明，工程納米結(jié)構(gòu)在這一應(yīng)用中也不遑多讓。

2021年7月7日該校博士后助理研究員Maxim Shcherbakov（后成為加州大學歐文分校的助理教授）作為主要作者，在《Nature Communications》上發(fā)表了論文《利用單次和多次超強激光脈沖在諧振亞表面產(chǎn)生偶次和奇次高次諧波》(Generation of Even and Odd High Harmonics in Resonant Metasurfaces Using Single and Multiple Ultra-Intense Laser Pulses)，詳細介紹了這項研究。

該團隊創(chuàng)造的納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成了超薄共振磷化鎵亞表面，克服了許多氣體和其他固體中產(chǎn)生高諧波相關(guān)的常見問題。磷化鎵這一材料允許所有數(shù)量級的諧波，而不會重新吸收它們，特殊的結(jié)構(gòu)可以與激光脈沖的整個光譜相互作用。Shcherbakov解釋說：“實現(xiàn)這一點需要使用全波仿真技術(shù)對亞曲面的結(jié)構(gòu)進行工程設(shè)計。我們仔細選擇并確定了磷化鎵粒子的參數(shù)來滿足這一條件，然后通過為其定制的納米制造流程使其公之于眾。”

其結(jié)果是納米結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生偶次和奇次諧波——這是大多數(shù)其他諧波材料難以做到的，涵蓋了1.3至3電子伏的光子能量。這種令人驚嘆的轉(zhuǎn)換效率使科學家能夠僅用一次激光照射就可觀察到材料中的分子和電子運動，有效地避免了多次高能照射對樣品的破壞，從而更好地保存樣品。這項研究首次觀察到單個激光脈沖產(chǎn)生的高諧波輻射，這使得亞表面能夠承受比之前在其他亞表面顯示的高5到10倍的功率。Shcherbakov稱這一研究十分具有價值——“這為超高領(lǐng)域研究物質(zhì)開辟了新的機會，通過這一方法我們甚至可以想象人們之后可以研究亞表面以外的材料，包括但不限于晶體、2D材料、單原子、人造原子晶格和其他量子系統(tǒng)。”

目前，研究團隊已經(jīng)展示了使用納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高諧波的優(yōu)勢，他們希望通過將納米結(jié)構(gòu)堆疊在一起來取代固態(tài)光源（如晶體），從而改善高諧波設(shè)備和設(shè)施。

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