LADIE - en ny slags kohærent lys

Nyfundet optisk effekt publiceret i Nature Physics skyldes samarbejde imellem Kassel Universitet og IFA.

18.09.2017 | Ole J. Knudsen

To laserpulser eksiterer en safirkrystal, så den udsender kohærent lys

Hvis man skyder en kort laserpuls ind i et dielektrisk materiale (altså et elektrisk isolerende materiale som for eksempel glas eller vand) ændres materialets optiske egenskaber lynhurtigt. Fra at være gennemsigtigt opfører materialet sig nærmest som et metal, og det optræder som et "plasmaspejl", så det meste af laserlyset bliver reflekteret. Stor var forbløffelsen derfor, da en forskergruppe på Aarhus Universitet under ledelse af professor Peter Balling i samarbejde med en gruppe fra Kassel Universitet under ledelse af Thomas Baumert ved et lignende forsøg fik et helt uventet resultat:  Der kom mere lys ud fra materialet, end der blev sendt ind i det! Det lys, som kommer ud, er oven i købet kohærent; det vil sige, at det opfører sig ligesom laserlys. Forskerne har derfor døbt den nyopdagede effekt LADIE -  en forkortelse af Laser Amplification in Excited Dielectrics. I forsøget blev der sendt ultrakorte femtosekund laserpulser med en bølgelængde på 800 nm ind i en safirkrystal for at anslå den, hvorefter en forsinket 400 nm puls, som burde være blevet reflekteret og absorberet, i stedet blev forstærket med op til 50 %.

Det er alt for tidligt at gætte på, hvad den nyopdagede effekt kan bruges til, om overhovedet andet end at blive klogere på den verden, vi lever i, men netop laseren var også noget helt uventet og i starten kun noget spændende fysik, da den blev opdaget i 1960'erne - og nu kan vi ikke eksistere uden den.

For at forstå, hvad der sker er vi nødt til at kigge på energiniveauerne i faste stoffer – de såkaldte energibånd. I et dielektrisk materiale er der et bredt ”forbudt” energiområde (båndgabet) mellem de besatte tilstande i det såkaldte valensbånd og de ubesatte tilstande i ledningsbåndet. Det forklarer, at materialerne er gennemsigtige, idet synligt lys ikke har energi nok til at nå henover dette forbudte båndgab. Når man benytter ultrakorte pulser ændrer dette sig, idet lyspartiklerne, fotonerne, kan gå sammen om at lave en overgang (såkaldte multifotonovergange). Vi kan nu også forstå, hvorfor disse pulser giver store ændringer af materialets optiske egenskaber: Når en kort puls har overført elektroner til ledningsbåndet, er der pludselig ”frie” elektroner til stede i materialet, der således opnår metalliske egenskaber.

Det overraskende nye i LADIE processen er, at disse anslåede elektroner åbenbart meget hurtigt (hurtigere end 1 picosekund) relakserer til bunden af ledningsbåndet, hvor de kan rekombinere med de tomme pladser (såkaldte huller) i valensbåndet. For at forstå observationen af LADIE er det dog nødvendigt at antage endnu et fænomen, nemlig at de mange anslåede ladninger medfører at båndgabet skrumper en hel del. Faktisk skrumper det så meget, at det passer med, at probepulsen (ved 400 nm) kan forstærkes ved en to-foton stimuleret overgang fra ledningsbånd til valensbånd. I artiklen viser forfatterne, at denne beskrivelse forklarer alle deres eksperimentelle observationer.

Artiklen med den spændende opdagelse er publiceret mandag den 18. september 2017 i det velanskrevne netbaserede tidsskrift Nature Physics

Institut for Fysik og Astronomi, Medarbejdere, Offentligheden / Pressen, Studerende