Ученые могут манипулировать электромагнитным излучением множеством способов. Если правильно подобрать параметры, можно облучить лазером газ, жидкость или твердое тело и этим заставить материал излучать на другой частоте. Когда получившаяся частота кратна частоте лазера, результат называют гармоникой.
Чаще всего нелинейная оптика использует вторую и третью гармоники, но в физике нет запрета на более высокие — двадцатую, сотую и далее. Высокие гармоники используют в науке и промышленности для анализа материалов, генерации сверхкоротких импульсов и излучения с высокой энергией.
В работе с этим эффектом из области нелинейной оптики ученые сталкиваются с неприятным эффектом — высокие гармоники могут подавляться по как будто неизвестной причине. Это явление назвали «сверхбыстрой электронной декогеренцей» — в течение нескольких квадриллионых долей секунды нарушается распределение электронов в твердом теле и высокие гармоники затухают. Фундаментальная причина этого явления оставалась неизвестной.
Команда профессора Чжэдона Ли (JaeDong Lee) смогла решить эту загадку. Оказалось, что два сопутствующих высоким гармоникам физических явления интерферируют друг с другом. Статья об этом опубликована в журнале Advanced Science.
Для того, чтобы разобраться с декогеренцией электронов ученые разработали новый вычислительный подход, построенный на основном уравнении Линдблада. Команда проанализировала сверхизлучение и широкополосную эмиссию, наблюдаемые в процессе генерации высоких гармоник в твердых телах. Сверхизлучение — явление, при котором группа объектов генерирует когерентное и мощное излучение. Широкополосная эмиссия означает, что сгенерированных гармоник так много, что если расположить их на спектре, он будет выглядеть не множеством отдельных узких полос, а ограниченным числом широких.
Ученые обнаружили, что между сверхизлучением и широкополосным спектром возникает интерференция, приводящая к взаимному подавлению. То есть взаимодействия с окружением в открытых квантовых средах, которыми являются ансамбли атомов, играют решающую роль в стабильности высоких гармоник.
«Истинная значимость этой работы заключается в том, что она открывает путь от идеальной квантовой теории к практической и надежной квантовой инженерии и бросит новый серьезный вызов существующим концепциям квантовых технологий, основанным на предположении об изолированных квантовых системах», — рассказал профессор Ли.
В процессе работы ученые создали микроскопическую теоретическую исследовательскую платформу, которая может точно учитывать не только взаимодействия между электронами, но и взаимодействия электронов с окружающей средой.