Een team van natuurkundigen in China heeft een twintigvoudige verbetering van ultrasnelle laserinteracties aangetoond door gebruik te maken van de kwantumeigenschappen van licht, en dit te bereiken zonder de energie die aan het doel wordt geleverd te vergroten. De bevindingen, gepubliceerd in Nature, hebben potentiële implicaties voor de manier waarop materie op extreem korte tijdschalen wordt onderzocht.
Onderzoekers onder leiding van Jian Wu van de East China Normal University gebruikten een kwantumlichttoestand die bekend staat als helder geperst vacuüm (BSV) om tunneling-ionisatie in natriumatomen te veroorzaken. In tegenstelling tot conventionele laserpulsen die fotonen met een constante snelheid afgeven, genereert BSV extreme fluctuaties in de fotonendichtheid. Dit resulteert in korte uitbarstingen met een zeer hoge momentane intensiteit, waarbij de gemiddelde energie laag blijft.
Het team ontdekte dat een BSV-puls met een gemiddelde energie van slechts 300 nanojoule hetzelfde niet-lineaire ionisatie-effect produceerde als een conventionele laserpuls met een meer dan 20 keer grotere effectieve intensiteit. Het is veelbetekenend dat deze verbetering plaatsvond zonder een toename van het gemiddelde vermogen, waardoor het risico op thermische of structurele schade aan zowel de doelen als de optische componenten tot een minimum wordt beperkt.
Niet-lineaire optische processen zijn van invloed op verschillende gebieden, waaronder hoogharmonische generatie en attosecondefysica, die de elektronendynamica onderzoekt op tijdschalen van één triljoenste van een seconde. De huidige experimenten in deze gebieden opereren vaak dichtbij de grenzen van de materiële schade. Door de kwantumstatistische eigenschappen van licht te manipuleren in plaats van alleen maar de pulsenergie te verhogen, gaven de onderzoekers aan dat de interactiesterkte onafhankelijk van het gemiddelde vermogen kon worden verfijnd, waardoor de weg werd vrijgemaakt voor toekomstige attoseconde-experimenten tegen lagere energiekosten en minder bijkomende schade.
Dit werk sluit aan bij een bredere trend in de kwantumoptica die kwantumfluctuaties beschouwt als een waardevolle hulpbron in plaats van als ruis. Hoewel de techniek nog experimenteel is, suggereert deze een toekomst waarin gestructureerde kwantumtoestanden van licht een essentiële rol spelen in ultrasnelle optische technologie, als aanvulling op de traditionele laserintensiteit. De studie weerspiegelt een cruciale verschuiving in het begrip en de toepassing van kwantumlicht bij uiterst nauwkeurige laserinteracties.
