康奈尔大学的研究人员发现了一种方法，可以用比现有方法少4个数量级的能量来加速光子，这为紫外激光捕捉持续1 / 5秒的过程铺平了道路。
光子加速提高了光子的能量，使物理学家能够微调激光束的颜色，使其用于各种功能。传统上，光子加速需要极高强度的激光脉冲和气体等离子体。
由应用与工程物理学教授根纳迪•什韦茨(Gennady Shvets)领导的一个团队，使用了一种被称为“元表面”的超薄纳米结构，将光子加速到用气体等离子体实现的输出水平，但只使用了一小部分能量。
“人们会用超高功率激光从气体分子中剥离电子来加速光子，”什韦茨说，“但这个过程太过猛烈，不太实际。”
“我们已经建立了一个模拟发生的事情在这些大的激光,但是在桌面环境中,“马克西姆Shcherbakov说Shvets的实验室和博士后的第一作者“光子加速和可调在非线性时变Metasurfaces宽带谐波的一代,“3月22日发表在《自然通讯。“我们可以给系统施加更少的能量，光子就会在相同的水平上加速。”
现在，研究人员希望在这一发现的基础上，产生一些世界上最短的激光脉冲，这些脉冲能产生短至几阿秒的光脉冲——1 / 10的1次方分之一秒。“这将有助于研究许多不同环境和材料中的基本凝聚态现象;这种超短脉冲有很多应用。
例如，超短的光脉冲可以创建电子在原子内运动的快照，或者在晶格中从一个原子跳跃到另一个原子的过程中的快照。“目前，人们使用大型毒气室和非常强大的激光产生阿秒脉冲。我们希望通过一个非常小的足迹，需要非常低的激光能量的过程来改变这些，”他说。
光子——代表光量子的粒子——通常具有特定的颜色，与它们所包含的能量量相对应。光子是传递信息的重要工具，比如在互联网上，但它们的颜色——以及能级——很难改变。
改变光子能量的一种方法是通过谐波，在谐波中几个光子可以结合成一个具有更高能量的光子。以前，研究人员只能组合离散光子，但什韦茨和同事们发现，元表面可以组合三个光子，产生一个能量为其3.1倍的光子。
谢尔巴科夫说:“这使得制作过程更加容易，也更加可调，因此你可以用这个过程来微调激光束的最终颜色。”
结合使用元表面的光子加速度和使用谐波提高光子能量的能力，提供了大量的实际应用，并开辟了新的研究方向。舍尔巴科夫说:“可见光和近红外波段的激光非常丰富，但在某些特定的范围内，你会想要价格实惠的激光，但目前还没有这种技术。”
一个例子是极端紫外范围的激光，用现有的技术不容易制造出来，但它将在物理、材料科学、化学和生物学方面有重要的用途。研究人员的发现可能使这成为可能。
谢尔巴科夫说:“这就是将光子结合起来并加速它们将变得有用的地方。”“最重要的是，这些激光器将产生非常短的能量爆发，这要么非常昂贵，要么不可用。这将使更多的发现成为可能，这些发现与在如此短的时间内发生的任何运动或过程有关。”
这篇论文是由博士后研究员范志远和俄亥俄州立大学的研究人员共同撰写的。
这项工作得到了海军研究办公室、空军科学研究办公室和康奈尔材料研究中心的支持，并得到了美国国家科学基金会的资助。这项研究的一部分是在康奈尔纳米科技设施进行的，该设施也得到了国家科学基金会的支持。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：http://news.cornell.edu/stories/2019/04/fine-tuning-photons-capture-fleeting-electron-motions