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QUELLE

N. Tancogne-Dejean, A. Rubio

Atomic-like high-harmonic generation from two-dimensional materials

FORSCHUNGSMELDUNG

Erzeugung von Photonen aus zweidimensionalen Materialien

16. Februar 2018

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg haben gezeigt, dass zweidimensionale Materialien höhere Harmonische durch den gleichen Mechanismus erzeugen können wie Atome und Moleküle. Dies bedeutet, dass zweidimensionale Stoffe eine attraktive Alternative zu Atomen und Molekülen in der Produktion hochenergetischer Photonen und ultrakurzer Lichtpulse sind. Ihre Arbeit wird nun in Science Advances veröffentlicht.

Die Erzeugung hoher Harmonischer in Gasen (HHG) wird heutzutage routinemäßig in vielen verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen angewandt, von der Physik über die Chemie bis hin zur Biologie, um isolierte Attosekundenpulse und kohärente Strahlung vom sichtbaren bis in den weichen Röntgen-Spektralbereich zu erzeugen.

In diesem Starkfeldphänomen werden viele niederenergetische Photonen aus einem sehr intensiven Laserfeld in wenige Photonen höherer Energie umgewandelt. Der gleiche Mechanismus existiert in Kristallen, aber die erreichbare Photonenenergie ist meist sehr viel geringer als bei Atomen und Molekülen.

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Mithilfe der neuesten theoretischen Simulationen haben die Wissenschaftler am MPSD gezeigt, dass zweidimensionale Materialien sich wie Atome und Moleküle verhalten können, was diese Materialien zu sehr attraktiven möglichen neuen Lichtquellen macht. Ihre Arbeit wird nun in Science Advances veröffentlicht.

Wenn Atome und Moleküle mit intensiven Laserpulsen wechselwirken, emittieren sie hohe Harmonische des treibenden fundamentalen Laserfelds.

Aufgrund ihrer höheren Elektronendichte stellen Kristalle eine vielversprechende Forschungsrichtung zur Realisierung kompakter, hellerer HHG-Quellen dar. Dennoch ist die maximale Photonenenergie, die durch HHG aus Kristallen gewonnen werden kann, momentan noch sehr viel geringer als die, die von Atomen erzeugt wird.

Forscher aus der von Angel Rubio geleiteten Theorie-Abteilung am MPSD haben nun gezeigt, dass zweidimensionale Kristalle eine mögliche Alternative zu Atomen und Molekülen darstellen. Mit umfangreichen ab-initio Computersimulationen untersuchten sie, wie zweidimensionale Kristalle auf ein starkes elektrisches Feld reagieren, welches nahezu senkrecht zu dem Kristall polarisiert ist.

Die entstehende Elektronendynamik ähnelt der von Atomen und Molekülen. Insbesondere hat das Team demonstriert, dass das für die HHG in Atomen und Molekülen typische semi-klassische Modell den Großteil der Starkfeld-Elektronendynamik erklärt.

Sie haben weiterhin gezeigt, wie dieses Modell für zweidimensionale Kristalle angepasst werden kann. Diese Forschungsergebnisse eröffnen einen neuen Weg zur Erzeugung von hochenergetischen Photonen und ultrakurzen Lichtpulsen in Materialien, die größere Kontrollmöglichkeiten bieten als Gase.

 
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