Ультракороткие импульсы света в экстремальном ультрафиолетовом спектральном диапазоне (EUV) идеальны для изучения фундаментальных физических явлений, в особенности того, как электроны движутся в атомах и молекулах твердых тел. Совместная группа ученых из Кореи, Германии и США предложила новый способ получения подобных импульсов с помощью трехмерного металлического нано-волновода и формируемых в нем поверхностных плазмонов-поляритонов.

Известно, что разрешение, которое может дать исследование, основывающееся на электромагнитном излучении, по порядку величины сравнимо с длиной волны этого излучения. Поэтому для изучения фундаментальных процессов, происходящих на атомарном масштабе, необходимо электромагнитное излучение с ультракороткой длиной волны, соответствующее спектральной области экстремального ультрафиолета. Длина волны излучения этого диапазона не превышает 5 – 50 нм, что в 10 – 100 раз меньше, чем длина волны видимого света.

Таким образом, это излучение может быть важным инструментом для динамики нанометровых структур.

Однако до сих пор практическое получение импульсов этого диапазона было достаточно сложным. Экстремальный ультрафиолет очень трудно произвести при помощи стандартных методик генерирования оптического излучения, основанных на ионизации атомов инертных газов.

Электроны, высвобождаемые в рамках этого процесса, ускоряются в световом поле и преобразуются в ультракороткие (до 10^-18 секунды) импульсы света с разными длинами волн. В дальнейшем, чтобы получить из этого множества колебаний излучение EUV-диапазона, необходимо отфильтровать испускаемый световой поток по частотам. Сама по себе эта процедура является достаточно сложной.

Кажется, совместная группа исследователей из Korea Advanced Institute of Science and Technology (Корея), Max Planck Institute of Quantum Optics (Германия) и Georgia State University (США) открыли путь к подобным исследованиям, предложив собственную методику получения ультракоротких электромагнитных волн(кое-что мы об этом уже рассказывали). Их методика основана на преобразовании фемтосекундных (длительностью 10^-15 секунд) световых импульсов в инфракрасном спектральном диапазоне в импульсы примерно той же длительности в EUV-диапазоне. При этом частота импульсов превышает 75 МГц.

Процесс основан на так называемых поверхностных плазмонах-поляритонах, появляющихся в результате взаимодействия электромагнитных волн с коллективными колебаниями свободных электронов внутри твердого тела. Для использования этого явления ученые разработали своего рода нано-воронку, которая позволила сфокусировать излучение инфракрасного диапазона в области, размеры которой много меньше длины волны излучения.

Нано-воронка в представленном учеными эксперименте представляла собой металлическую наноструктуру из серебра, внутри которой было сделано коническое отверстие размером в несколько микрон, заполненное ксеноном. Конец воронки имел диаметр не более 100 нм. Исследователи направляли инфракрасное излучение в «воронку», стенки которой были частично заряжены (положительно заряженные области следовали за отрицательно заряженными областями и наоборот). Периодический заряд воронки создавал электромагнитные колебания на внутренних стенках наноструктуры, в результате чего появлялись поверхностные плазмоны-поляритоны, которые фокусировались в центре воронки. Интенсивность излучения в этой области в несколько сотен раз превышала интенсивность изначального инфракрасного света, что приводило к генерации EUV-излучения. Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Photonics.