Com generar harmònics alts amb llum quàntica malgrat la decoherència

Els polsos de llum més curts obtinguts fins ara duren només uns pocs attosegons. Són tan increïblement curts, molt més que un obrir i tancar d’ulls, que el nostre cervell té dificultats per imaginar-los. Però això és precisament el que els permet investigar processos electrònics extremadament ràpids, omnipresents a la vida a la Terra; processos que ocorren quan es desenvolupen reaccions químiques o quan les molècules biològiques es transfereixen energia entre si.

La generació d'harmònics alts (HHG, per les seves sigles en anglès) —la generació dels harmònics d'alt ordre d'un pols de llum quan aquest és absorbit per un àtom— és el precursor físic dels polsos de llum més curts que existeixen a dia d’avui. Tot i que la HHG ha estat àmpliament estudiada quan s'impulsa mitjançant una font de llum clàssica, recentment s'ha demostrat que la llum quàntica també té aquesta capacitat. Però, es mantenen les propietats quàntiques un cop ja s’han generat els harmònics? Aquesta és una de les preguntes més importants que s'investiguen actualment.

Ara bé, existeixen molts tipus diferents de llum quàntica, cadascuna amb propietats diferents. La llum de buit comprimit brillant (BSV) és especialment interessant perquè, com el seu mateix nom indica, presenta compressió —una característica purament quàntica que redueix el soroll en un observable (per exemple, la posició) a canvi d'augmentar el soroll en el seu conjugat (el moment)— i, alhora, està constituïda per un alt nombre de fotons. Per tant, la BSV és adequada per induir interaccions fortes entre llum i matèria, com les necessàries per a la generació d'harmònics alts.

Fins ara, les investigacions teòriques sobre la HHG impulsada per BSV només tenien en compte la interacció amb un sol àtom. Per avaluar l'aplicabilitat real de les fonts de llum BSV, però, cal considerar una situació molt més realista: un medi ple d'àtoms. Aquest és precisament l'escenari que els investigadors de l'ICFO, el Dr. Javier Rivera-Dean i el Dr. Philipp Stammer, dirigits pel Prof. Dr. Maciej Lewenstein, han investigat teòricament, en col·laboració amb l'Institute of Electronic Structure & Laser a Creta, la Technische Universität Wien, el Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, ELI ALPS i el Center for Quantum Science and Technologies (FORTH-QuTech).

Publicat a Nature Communications, l'estudi revela que la generació d'harmònics alts impulsada per la BSV pot veure's afectada per la ionització atòmica i les pèrdues de fotons, efectes col·laterals de la propagació de la BSV a través del medi. Això degrada les característiques quàntiques de la radiació, limita la seva longitud màxima de propagació i disminueix el nombre d'harmònics emesos.

Afortunadament, aquests efectes de decoherència no són un obstacle insuperable. "Hem demostrat que, sota les condicions adequades, la BSV pot preservar la seva 'quanticitat' i generar eficientment harmònics amb propietats quàntiques", afirma el Prof. de l'ICFO Maciej Lewenstein, expert de llarga trajectòria en HHG que va formar part de l'estudi. Les condicions inclouen reduir significativament les pèrdues de fotons degudes a la ionització atòmica i controlar acuradament la intensitat de la BSV, de manera que es minimitzi la decoherència sense perdre la capacitat de generar harmònics alts.

Els investigadors ja estan mirant de determinar les condicions precises per a la realització experimental. Implementar el marc teòric proposat permetria ampliar encara més la nostra comprensió sobre la propagació de la BSV a través de medis, cosa que, al seu torn, acostaria els camps de la física ultrarràpida i quàntica.

Referència:

Rivera-Dean, J., Kanti, D., Stammer, P., Carlström, S., Tsatrafyllis, N., Ivanov, M. Yu, Lewenstein, M., & Tzallas P., Propagation effects in high harmonic generation media driven by bright squeezed vacuum light. Nat Commun 17, 8457 (2026).

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-75173-8

Agraïments:

The group of P.T. at FORTH acknowledges the Hellenic Foundation for Research and Innovation (HFRI) and the General Secretariat for Research and Technology (GSRT) under grant agreement CO2toO2 Nr.:015922, the European Union’s HORIZON-MSCA-2023-DN-01 project QU-ATTO under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 101168628 and ELI–ALPS. The ELI ALPS project (GINOP-2.3.6-15-2015-00001) is supported by the European Union and co financed by the European Regional Development Fund. H2020-EU research and innovation program under the Marie Skłodowska-Curie (No. 847517). ICFO-QOT group acknowledges support from: European Research Council AdG NOQIA; MCIN/AEI (PGC2018-0910.13039/501100011033, CEX2019-000910 - S/10.13039/501100011033, Plan National STAMEENA PID2022-139099NB, project funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by the “European Union NextGenerationEU/PRTR" (PRTR - C17.I1), FPI); project funded by the EU Horizon 2020 FET-OPEN OPTOlogic, Grant No 899794, QU-ATTO, 101168628), Fundació Cellex; Fundació Mir-Puig; Generalitat de Catalunya (European Social Fund FEDER and CERCA program. P.S. acknowledges funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 847517. M.I. and S.C. acknowledge support of the Project No. 545591821 "GENIOUS" and Project No. 560535838 "Qu-NOIR". J. R.-D. acknowledges funding from UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) Funding, Grant UKRI2300 - Attosecond Photoelectron Imaging with Quantum Light (APIQuL).