Ein Team von Physikern in China hat eine 20-fache Verbesserung der ultraschnellen Laserwechselwirkungen durch Nutzung der Quanteneigenschaften von Licht demonstriert und dies erreicht, ohne die dem Ziel zugeführte Energie zu erhöhen. Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse haben potenzielle Auswirkungen darauf, wie Materie in extrem kurzen Zeiträumen untersucht wird.
Forscher unter der Leitung von Jian Wu von der East China Normal University nutzten einen Quantenlichtzustand, der als Bright Squeezed Vacuum (BSV) bekannt ist, um eine Tunnelionisation in Natriumatomen auszulösen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Laserpulsen, die Photonen mit einer gleichmäßigen Rate abgeben, erzeugt BSV extreme Schwankungen in der Photonendichte. Dies führt zu kurzen Ausbrüchen von sehr hoher augenblicklicher Intensität, wobei die durchschnittliche Energie niedrig bleibt.
Das Team entdeckte, dass ein BSV-Puls mit einer durchschnittlichen Energie von nur 300 Nanojoule den gleichen nichtlinearen Ionisationseffekt erzeugte wie ein herkömmlicher Laserpuls mit über 20-mal größerer effektiver Intensität. Bezeichnenderweise erfolgte diese Verbesserung ohne Erhöhung der Durchschnittsleistung, wodurch das Risiko thermischer oder struktureller Schäden sowohl an den Zielen als auch an den optischen Komponenten minimiert wird.
Nichtlineare optische Prozesse sind in verschiedenen Bereichen einflussreich, einschließlich der Erzeugung hoher Harmonischer und der Attosekundenphysik, die die Elektronendynamik auf Zeitskalen von einer Trillionstelsekunde untersucht. Aktuelle Experimente in diesen Bereichen bewegen sich oft nahe der materiellen Schadensgrenze. Indem die Forscher die quantenstatistischen Eigenschaften des Lichts manipulierten und nicht nur die Pulsenergie erhöhten, wiesen sie darauf hin, dass die Wechselwirkungsstärke unabhängig von der Durchschnittsleistung feinabgestimmt werden könnte, was den Weg für zukünftige Attosekundenexperimente mit geringeren Energiekosten und geringeren Kollateralschäden ebnete.
Diese Arbeit steht im Einklang mit einem breiteren Trend in der Quantenoptik, der Quantenfluktuationen als wertvolle Ressource und nicht als Rauschen betrachtet. Obwohl die Technik noch experimentell ist, deutet sie auf eine Zukunft hin, in der strukturierte Quantenzustände des Lichts eine wesentliche Rolle in der ultraschnellen optischen Technologie spielen und die traditionelle Laserintensität ergänzen. Die Studie spiegelt einen entscheidenden Wandel im Verständnis und der Anwendung von Quantenlicht in hochpräzisen Laserinteraktionen wider.
