Científics creen polsos d’attosegons de durada en el rang del buit ultraviolat per rastrejar processos ultraràpids en sistemes naturals

Els electrons en els àtoms interactuen entre si i amb altres partícules, modificant el seu moviment, energies i altres característiques en escales de temps increïblement ràpides, de l’ordre dels attosegons (10⁻¹⁸ segons). Per capturar aquests canvis ultraràpids, es requereixen polsos de llum igualment ultraràpids. La durada del pols ha de ser comparable a la de l’efecte que es vol observar; en cas contrari, seria com intentar capturar el moviment de les ales d’un colibrí amb una càmera de molt llarga exposició.

A finals del segle XIX, els físics pensaven que només era tècnicament possible generar polsos de femtosegons (10⁻¹⁵ segons). Tanmateix, això va començar a canviar a finals de la dècada de 1980, quan es va establir la connexió entre la generació d’alts harmònics i l’attociència. La generació d’alts harmònics (HHG, per les seves sigles en anglès) és un procés que converteix fotons de baixa freqüència en fotons de freqüència més alta. El que els investigadors van descobrir és que, quan s’emeten múltiples harmònics, aquests poden combinar-se per formar un pols de llum d’attosegons, cosa que finalment es va aconseguir el 2001.

L’attociència va néixer amb la generació i l’ús de polsos en el rang extrem de l’ultraviolat (XUV), fet que va conduir al desenvolupament de mètodes de detecció i caracterització centrats en aquestes freqüències. Més de 20 anys després, la creació de polsos d’attosegons continua centrat en la llum XUV. Tot i els avenços que han permès els polsos d’attosegons XUV, aquests presenten una limitació important: la majoria dels àtoms, en ser impactats per una font de llum tan energètica, perden un o més electrons, és a dir, s’ionitzen. Ara bé, molts processos naturals d’interès es produeixen en àtoms no ionitzats, que romanen en l’anomenat estat lligat. Atès que la llum XUV no permet estudiar aquests estats lligats, els quals es produeixen molt sovint en els sistemes naturals, la seva anàlisi ha quedat fora de l’abast de l’attociència. Per abordar aquest problema, és necessari comptar amb una font capaç de generar polsos d’attosegons de menor energia (per exemple, en el rang del buit ultraviolat) i desenvolupar nous mètodes per mesurar-ne les principals característiques, com la durada i la intensitat.

Ara, un equip internacional d’investigadors de ELI-ALPS, Guangdong Technion- Israel Institute of Technology, Technische Universität Wien, Université de Bordeaux–CNRS–CEA, Foundation for Research and Technology-Hellas (FORTH) i els investigadors de l’ICFO, en Philipp Stammer, el Dr. Javier Rivera-Dean i el Prof. ICREA Maciej Lewenstein, ha assolit aquest objectiu. Per primera vegada, l’equip ha demostrat que els semiconductors il·luminats per llum làser en el rang mitjà de l’infraroig emeten polsos d’attosegons en el buit ultraviolat (VUV, per les sigles en anglès). A més, han obtingut la forma temporal d’aquests polsos i n’han mesurat la durada total. Aquests resultats inèdits, publicats a Nature Communications, estableixen les bases d’una nova tècnica per estudiar canvis ultraràpids en sistemes naturals, preservant el seu estat lligat en lloc d’induir-ne la ionització.

Producció i caracterització de polsos d’attosegons VUV

Per confirmar la generació de polsos d’attosegons VUV i comprendre’n les propietats, els investigadors van dissenyar i implementar un experiment que combinava materials semiconductors amb intensos camps làser.

En l’experiment, un feix de llum en el rang mitjà de l’infraroig (mid-IR) il·luminava un cristall semiconductor, generant alts harmònics, la superposició dels quals va donar lloc a polsos d’attosegons VUV. Aquests polsos es van dirigir cap a àtoms de cesi, una de les poques espècies que, a diferència dels àtoms utilitzats en els esquemes convencionals d’attociència, es poden ionitzar amb llum VUV. Tal com s’esperava, en presència del camp mid-IR, els polsos VUV van ionitzar els àtoms de cesi. Analitzant els electrons expulsats, els investigadors van poder mesurar la sincronització (que es produïa en un rang de pocs attosegons) dels alts harmònics que constituïen els polsos VUV, fet que va permetre extreure’n informació clau.

Els resultats experimentals van coincidir amb les prediccions teòriques, confirmant la generació de polsos VUV amb una durada de 950 attosegons.

Potencial per a futures tècniques

Aquests descobriments presenten els semiconductors il·luminats per làsers intensos com una nova font de polsos d’attosegons i destaquen el seu potencial per estudiar processos ultraràpids en una gamma més àmplia de materials. “Hem desenvolupat eines per rastrejar dinàmiques ultraràpides en estats lligats (els quals es produeixen freqüentment a la natura) en tots els estats de la matèria, incloent-hi àtoms, molècules en fase gasosa i líquida, i sòlids”, explica el Dr. Paraskevas Tzallas, investigador de FORTH i co-autor de l’article.

Els autors també destaquen que, segons estudis previs, la radiació HHG generada per àtoms pot produir llum quàntica, amb propietats com l’entrellaçament o el squeezing (compressió quàntica). La seva investigació representa un pas crucial cap a la demostració experimental d’aquest fenomen en semiconductors, fet que, si s’aconsegueix, permetria noves aplicacions en diverses tasques de processament d’informació quàntica.

En conjunt, el Dr. Tzallas considera que “aquestes noves eines i metodologies podrien utilitzar-se per estudiar sistemes naturals, investigar-ne les dinàmiques ultraràpides i fins i tot fer-les servir per dissenyar nous estats de llum quàntica”.

Referència:

Nayak, A., Rajak, D., Farkas, B. et al. Attosecond metrology of vacuum-ultraviolet high-order harmonics generated in semiconductors via laser-dressed photoionization of alkali metals. Nat Commun 16, 1428 (2025).

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56759-0

###

Agraïments:

We thank Bálint Kiss, Levente Ábrók and Rajaram Shrestha for their technical support and their efforts on the operation of the mid-IR laser system. We also thank Arnold Péter Farkas, for the methods that he developed for introducing the Cs sample in the interaction chamber. The experiments were carried out at ELI ALPS, and ELI-ALPS is supported by the European Union and co-financed by the European Regional Development Fund (GINOP-2.3.6-15-2015-00001).

Tzallas group at FORTH acknowledges support from: The Hellenic Foundation for Research and Innovation (HFRI) and the General Secretariat for Research and Technology (GSRT) under grant agreement CO2toO2 Nr.:015922, the European Union’s HORIZON-MSCA-2023-DN-01 project QU-ATTO under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 101168628, the LASERLABEUROPE V (H2020-EU.1.4.1.2 grant no.871124), The H2020 Project IMPULSE (GA 871161), and ELI–ALPS.

Lewenstein group at ICFO acknowledges support from: ERC AdG NOQIA; Ministerio de Ciencia y Innovation Agencia Estatal de Investigaciones (PGC2018–097027–B–I00 / 10.13039/ 501100011033, CEX2019–000910–S / 10.13039 / 501100011033, Plan National FIDEUA PID 2019–106901GB–I00, FPI, QUANTERAMAQS PCI 2019–111828–2, QUANTERA DYNAMITE PCI 2022–132919, Proyectos de I+D+I “Retos Colaboración” QUSPIN RTC 2019–007196–7); MICIIN with funding from European Union Next Generation EU (PRTR–C17.I1) and by Generalitat de Catalunya; Fundació Cellex; Fundació Mir-Puig; Generalitat de Catalunya (European Social Fund FEDER and CERCA program, AGAUR Grant No. 2021 SGR 01452, Quantum-CAT U16–011424, co-funded by ERDF Operational Program of Catalonia 2014-2020); Barcelona Supercomputing Center MareNostrum (FI–2022–1–0042); EU Horizon 2020 FET–OPEN OPTOlogic (Grant No 899794); EU Horizon Europe Program (Grant Agreement 101080086—NeQST), National Science Centre, Poland (Symfonia Grant No. 2016/20/W/ST4/00314); ICFO Internal “QuantumGaudi” project; European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under the Marie-Skłodowska-Curie grant agreement No 101029393 (STREDCH) and No 847648 (“La Caixa” Junior Leaders fellowships ID100010434 : LCF / BQ / PI19 / 11690013, LCF / BQ / PI20 / 11760031, LCF / BQ / PR20 / 11770012, LCF / BQ / PR21 / 11840013).

Stammer acknowledges funding from: The European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 847517. J. Rivera-Dean acknowledges funding from: the Secretaria d’Universitats i Recerca del Departament d’Empresa i Coneixement de la Generalitat de Catalunya, the European Social Fund (L’FSE inverteix en el teu futur)–FEDER, the Government of Spain (Severo Ochoa CEX2019-000910-S and TRANQI), Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, Generalitat de Catalunya (CERCA program) and the ERC AdG CERQUTE. Y. Mairesse acknowledges funding from the Agence Nationale de la Recherche (ANR)– Shotime (ANR-21-CE30-038-01), and thanks Samuel Beaulieu for fruitful discussion. M. F. Ciappina and C. Granados acknowledge financial support from the Guangdong Province Science and Technology Major Project (Future functional materials under extreme conditions - 2021B0301030005) and Guangdong Natural Science Foundation (General Program project No. 2023A1515010871).