Čínští fyzici 20x zesílili laserové interakce bez extra výkonu: Klíčem je kvantové světlo

Čínští vědci dosáhli významného pokroku v oblasti laserové fyziky, když demonstrovali novou metodu, jak výrazně zesílit interakce ultra rychlých laserů, aniž by bylo nutné zvyšovat celkový výkon laseru.

Čínští vědci dosáhli významného pokroku v oblasti laserové fyziky, když demonstrovali novou metodu, jak výrazně zesílit interakce ultra rychlých laserů, aniž by bylo nutné zvyšovat celkový výkon laseru. Jejich objev by mohl otevřít cestu k bezpečnějším a přesnějším optickým systémům s vysokou intenzitou.

Tým výzkumníků pod vedením Jian Wu z East China Normal University učinil tento objev pomocí formy kvantového světla známé jako jasné stlačené vakuum (bright squeezed vacuum). Díky tomu dokázali zesílit klíčový nelineární optický proces více než 20krát ve srovnání s konvenčním laserovým pulzem nesoucím stejnou průměrnou energii.

Práce vědců řeší jedno z největších omezení moderní laserové fyziky. V současné době mnoho pokročilých optických efektů závisí na nelineárních interakcích, kde více fotonů interaguje s hmotou téměř současně. To je zásadní pro různé oblasti, od attosekundové fyziky (10^-8 sekundy) po generování vysokých harmonických frekvencí a ultra rychlé zobrazování. Problém spočívá v tom, že nelineární efekty obvykle vyžadují extrémně intenzivní laserové pulzy, které mohou poškodit materiály nebo systémy, jež jsou předmětem studia.

Namísto zvyšování výkonu laseru tým změnil statistické chování samotného světla. Na rozdíl od standardního laserového světla, kde fotony přicházejí relativně stálou rychlostí, jasné stlačené vakuum produkuje extrémní fluktuace v hustotě fotonů. To vytváří krátkodobé záblesky velmi vysoké okamžité intenzity, i když celková průměrná energie zůstává skromná. Tento rozdíl se ukázal jako klíčový.

Pro ověření své myšlenky vědci použili kvantový světelný zdroj k vyvolání tunelové ionizace v atomech sodíku. Při tomto procesu dostatečně intenzivní elektromagnetické pole tak silně zkreslí potenciální bariéry atomu, že elektron může efektivně tunelovat ven prostřednictvím kvantově mechanických efektů. Tým zjistil, že pulz jasného stlačeného vakua obsahující pouhých 300 nanojouleů průměrné energie vyvolal stejný nelineární ionizační efekt jako konvenční laserový pulz s více než 20násobnou efektivní intenzitou. Důležité je, že k zesílení došlo bez zvýšení průměrného výkonu, což snižuje riziko tepelného nebo strukturálního poškození.

Výzkumníci také ukázali, že sílu interakce lze ladit úpravou kvantových statistických vlastností světla, namísto změny samotné energie pulzu. Tradičně silnější nelineární efekty vyžadovaly stále výkonnější lasery. Tato práce naznačuje, že pečlivě navržené kvantové fluktuace mohou dosáhnout podobných výsledků s mnohem nižšími energetickými náklady.

Zjištění by se mohla ukázat jako obzvláště důležitá pro attosekundovou vědu, obor zaměřený na pozorování dynamiky elektronů v časových měřítkách biliontin biliontiny sekundy. Attosekundové experimenty obvykle vyžadují extrémní intenzity laseru, často posouvající materiály a optické komponenty blízko jejich limitů poškození. Použitím kvantově navržených stavů světla namísto hrubého zvyšování výkonu mohou vědci nakonec získat jemnější kontrolu nad ultra rychlými interakcemi a zároveň snížit vedlejší poškození experimentálních systémů.