Superada la electrónica de los terahercios, el objetivo es alcanzar los petahercios. Se publica en Nature una técnica para visualizar pulsos ultracortos que superan los 100 THz. Para la generación de pulsos ultracortos se usa el efecto no lineal de Kerr. La nueva técnica permite hacer un zoom sobre la acción del efecto Kerr en un pulso láser de femtosegundos y observar como actúa en detalle en la escala de los attosegundos. Un avance importante hacia la electrónica de los petahercios.

Tu ordenador funciona con electrónica en la escala de los gigahercios. La escala de los terahercios quizás te parezca lejana, para ya es una realidad en los laboratorios de investigación. Gracias a materiales planos como el grafeno podrás disfrutar de ella en la próxima década. Aún así, muchos científicos están buscando demostrar en laboratorio la escala de los petahercios. El nuevo avance permite estudiar la polarización no lineal en su escala de tiempo natural, los attosegundos, desvelando los detalles más íntimos de la interacción entre luz y materia.

El artículo es A. Sommer, E. M. Bothschafter, …, F. Krausz, «Attosecond nonlinear polarization and light–matter energy transfer in solids,» Nature 534: 86–90 (02 Jun 2016), doi: 10.1038/nature17650; más información divulgativa en Michael Krüger, Nirit Dudovich, «Nonlinear optics: Resolving the attosecond beat,» Nature Photonics 10: 626–627 (29 Sep 2016), doi: 10.1038/nphoton.2016.189.

Para pulsos en la escala de los femtosegundos (y no digamos en las escalas de los picosegundos y de los nanosegundos), el efecto Kerr actúa como si fuera instantáneo e irreversible. Para desvelar que no es instantáneo hay que usar la escala de los attosegundos. Y en dicha escala se puede observar que en realidad es un fenómeno reversible, como predice la electrodinámica cuántica.

El efecto Kerr es resultado de la interacción de la luz con la materia. Al paso un pulso óptico por un material se excitan sus átomos, que más tarde se relajan a su estado fundamental. El índice de refracción del material para los pulsos depende de si los átomos están en su estado fundamental o excitado. Además del índice de refracción (lineal) del material, aparece un segundo índice de refracción (no lineal) que depende de la intensidad del pulso incidente. Por tanto, el efecto Kerr se comporta como una birrefringencia no lineal inducida por el pulso incidente. En la escala de los attosegundos, el efecto no es instantáneo y aparece un retraso debido a que los estados excitados tienen una vida media en dicha escala.

Para observar la dinámica íntima del efecto Kerr hay que usar una cámara de attosegundos, capaz de resolver los detalles del pulso óptico a una escala inferior a su longitud de onda. Se ha confirmado que existe un pequeño retraso (menor de 80 attosegundos) en la respuesta de la polarización no lineal. La razón es que sólo los electrones fuertemente localizados en los átomos están involucrados en la modificación de la parte real del índice de refracción en el efecto Kerr (aunque su explicación corresponde al salto de electrones entre las bandas de valencia y conducción). Sólo para intensidades elevadas, cercanas a las de rotura del material, se observa una absorción múltiple de fotones que modifica la parte imaginaria del índice de refracción.

El efecto Kerr genera calor en el material y se ha podido cuantificar el trabajo mecánico realizado. Se observa que  tiene dos componentes, una reversible y otra irreversible. La primera asociada a la modificación de la parte real del índice de refracción y la segunda a la parte imaginaria. El calor generado en el proceso puede degradar las futuras aplicaciones electrónicas en la escala de los petahercios, por lo que caracterizar en detalle su efecto es de suma importancia.

Finalmente, una sorpresa del nuevo trabajo es que la no linealidad cúbica (tercer orden) asociada al efecto Kerr no se modifica a altas intensidades, cuando a priori es de esperar que aparecieran términos no lineales de mayor orden.