康奈爾大學(xué)的研究人員開(kāi)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(shuō)是破紀(jì)錄式的發(fā)現(xiàn)！他們還研究了發(fā)生在阿秒級(jí)到百萬(wàn)分之一秒的全物理過(guò)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(lái)源：Daniil Shilkin

長(zhǎng)期以來(lái)高諧波被用于將脈沖激光器的光子合并成一個(gè)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(guò)去諧波的來(lái)源主要是氣體放電，但康奈爾大學(xué)工程學(xué)院應(yīng)用工程物理學(xué)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(xué)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(qiáng)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(xì)介紹了這項(xiàng)研究。

該團(tuán)隊(duì)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(jiàn)問(wèn)題。磷化鎵這一材料允許所有數(shù)量級(jí)的諧波，而不會(huì)重新吸收它們，特殊的結(jié)構(gòu)可以與激光脈沖的整個(gè)光譜相互作用。Shcherbakov解釋說(shuō)：“實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要使用全波仿真技術(shù)對(duì)亞曲面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。我們仔細(xì)選擇并確定了磷化鎵粒子的參數(shù)來(lái)滿(mǎn)足這一條件，然后通過(guò)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(xué)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(yùn)動(dòng)，有效地避免了多次高能照射對(duì)樣品的破壞，從而更好地保存樣品。這項(xiàng)研究首次觀察到單個(gè)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(chēng)這一研究十分具有價(jià)值——“這為超高領(lǐng)域研究物質(zhì)開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)，通過(guò)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)展示了使用納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高諧波的優(yōu)勢(shì)，他們希望通過(guò)將納米結(jié)構(gòu)堆疊在一起來(lái)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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