[論文レビュー] Attosecond light and electronic vortices

Romain Géneaux, A. Camper+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2015

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、フェムト秒スケールのヘリカル位相を有する赤外可視光ビームからの高調波生成を用いて、軌道的角運動量（OAM）を有する極端紫外（XUV）光の渦を生成し、完全に特徴づけることを示している。各高調波次数が駆動ビームの全OAMを引き継ぐことから、量子制御や基礎的物理学的研究への応用が可能なアト秒スケールの電子波束をOAMを伴って生成可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

Infrared and visible (IR-Vis) light beams carrying orbital angular momentum (OAM) are currently thoroughly studied for their extremely broad applicative prospects, among which quantum information, micro-machining and diagnostic tools. Here, we largely extend these prospects, presenting a comprehensive study for the synthesis and full characterization of optical vortices carrying OAM in the extreme ultraviolet (XUV) domain. We establish the upconversion rules of a femtosecond IR-Vis helically phased beam into its high order harmonics, showing that each harmonic order carries the total number of OAM units absorbed in the process. To demonstrate a typical use of these new XUV light beams, we show our ability to generate, through photoionization, and control attosecond electronic wavepackets carrying OAM. These unique attosecond light and electron springs are promising secondary sources for applications and fundamental tests.

研究の動機と目的

• 光ビームにおける軌道的角運動量（OAM）の応用を赤外可視領域から極端紫外（XUV）領域へ拡張すること。
• フェムト秒スケールのIR-Visビームから高調波に至るまでのOAM転送を支配するアップコンバージョン則を確立すること。
• XUV渦を用いて、OAMを有するアト秒スケールの電子波束を生成・制御することの実証。
• これらのXUV渦が量子情報、マイクロマシニング、診断ツールとしての二次的光源としての可能性を探索すること。

提案手法

• フェムト秒スケールでヘリカル位相を有する赤外可視ビームをガス標的に照射し、高調波を生成する。
• 高調波生成（HHG）を用いて、駆動ビームの全OAMを各高調波次数に転送する。
• 生成されたXUV渦のOAM含量および位相的特徴（トポロジカルチャージ）を完全に特徴づける手法を適用する。
• XUV渦を用いた原子の光電離を実施し、OAMを有するアト秒スケールの電子波束を生成・制御する。
• HHG過程における角運動量転送ダイナミクスを解析し、OAMのアップコンバージョン則を導出する。
• 干渉計的および分光的手法を用いて、XUV渦のコherently性および空間的構造を実験的に検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒スケールのIR-Visビームから高調波に至るまでのXUV領域における軌道的角運動量（OAM）の転送メカニズムは何か？
• RQ2 HHG過程において各高調波次数が有する全OAMを支配するアップコンバージョン則は何か？
• RQ3 XUV渦を用いて、定義されたOAMを有するアト秒スケールの電子波束を生成・制御できるか？
• RQ4 XUV光の渦が量子およびアト秒スケールの応用に適している主な特徴は何か？
• RQ5 XUV渦のコherently性およびトポロジカル構造を実験的にどのように検証できるか？

主な発見

• ヘリカル位相を有するIR-Visビームから生成された各高調波は、駆動ビームに存在する全OAM単位を引き継いでいる。
• XUV渦は明確な位相的特徴（トポロジカルチャージ）とコherentな空間的構造を示しており、OAMの成功した転送が確認された。
• XUV渦を用いた光電離により、OAMを有するアト秒スケールの電子波束が実際に生成された。
• 電子波束のOAMはXUV駆動ビームのOAMと直接的に関連しており、精密な制御が可能であることが示された。
• 本研究は、OAMを有するXUV光の合成と特徴づけの包括的フレームワークを確立し、アト秒科学分野における新規応用を可能にした。
• 結果から、XUV渦が量子制御や超高速物理学における基礎的検証のための二次的光源として実現可能であることが示された。