Attosecond dynamics of matter in ultra-high laser fields with sub-cycle temporal and sub-wavelength, nanometer-scale spatial resolution  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
73728
Type K
Principal investigator Varró, Sándor
Title in Hungarian Az anyag attoszekundumos dinamikája ultraintenzív lézerterekben optikai cikluson belülii időbeli és hullámhosszon belüli, nanométeres térbeli tartományokban
Title in English Attosecond dynamics of matter in ultra-high laser fields with sub-cycle temporal and sub-wavelength, nanometer-scale spatial resolution
Keywords in Hungarian attoszekundumos fény impulzusok, attoszekundumos elektron impulzusok
Keywords in English attosecond light pulses, attosecond electron pulses
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)80 %
Ortelius classification: Experimental physics
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)10 %
Ortelius classification: Solid state physics
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)10 %
Panel Physics 1
Department or equivalent Theoretical Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Dombi, Péter
Farkas, Gyozo
Heck, Philipp
Rácz, Péter
Starting date 2008-04-01
Closing date 2012-03-31
Funding (in million HUF) 1.367
FTE (full time equivalent) 9.34
state closed project
Summary in Hungarian
Folytatjuk előző OTKA programmjainkat: a fémfelületeken nagyintenzítású lézerekkel keltett QED alapfizikai kölcsönhatások elméleti és kísérleti tanulmányozását, ahol korábban elsőként mutattuk ki a perturbativ többfotonos gerjesztéseket és a tunnel effektust, igazolva a QED előrejelzéseket. – Korábbi felfedezésünk - az erős lézerterekkel keltett magasrendű harmonikusok Fourier- szintézise révén kelthető attoszekundumos (10^-18 sec) fényimpulzusok előállítása - világ-karriert futott be a nemzetközi kutatóközösség körében. Ma már európai és amerikai központok sokasága folytat nagyméretű programmokat „ATTOFIZIKA” elnevezés alatt. – A fenti koncepciót jelenleg általánosítjuk de Broglie elektron hullámcsomagokra: a fémfelületből kilépő küszöbfeletti fotoelektronok Fourier szintéziséből attoszekundumos elektronimpulzusok keletkeznek. – Új elveket és módszereket vezetünk be ezen új kölcsönhatások vizsgálatához szükséges szuperintenzív e.m. terek előállítására. Újtípusú , hosszú rezonátorú Ti:Sa lézert építünk, mely ~ 3 MHz ismétlődéssel ~ 10 fsec-os impulzusokat emittál, melyek fókuszálva ~ 10-100 TW/cm^2 intenzitást adnak. Ezen impulzusokat néhány nanométer vastagságú (vagyis a hullámhossznál kisebb méretű) Au rétegre irányítva koherens kollektív e.m. hullámok kelthetők. Ezek a fémfelület túloldalán evaneszcens e.m. teret keltenek, melynek értéke elérheti a keltő lézerfény terének 100-szorosát is. Ez az elrendezés „miniatűr” méretű szuprintenzív lézerforrásnak tekinthető, mely fókuszált nyalábbal történő gerjesztés esetén, eléri a PW/cm^2 intenzitás értékeket. A fentebb felsorolt új alapfolyamatok e speciális tértartományban újszerűen kelthetők és tanulmányozhatók.
Summary
Continuing our former OTKA programmes, we study experimentally and theoretically the basic processes of QED in the interactions of high-intensity laser fields with matter on metal surfaces, where we have earlier shown for the first time the existence of the perturbative multi-photon excitation and the optical tunnel effect verifying the QED predictions. - Our earlier discovery for generating attosecond (10^-18 s) light pulses from interference of high-harmonics, generated by large-intensity laser sources, has run a world-wide career by the international physisist community for, production of ultrashort light pulses. Nowadays a multitude of European an American research centres run very large-scale projects under the keyword “ATTOPHYSICS”. - We recently generalize this concept to electron de Broglie waves: the above-threshold photoemitted electron de Broglie waves, from a metal surface, are interfering to yield attosecond electron pulses. - We introduce new principles and methods for producing superintensive e.m. field for the new interactions. We have built a new type long resonator Ti:Sa system, which emits laser pulses with ~10 femtosec duration at ~3 MHz repetition rate, witch after focusing furnish ~ 10-100 TW /cm ^2 . Now when these laser pulses are directed onto a several nanometer thin (i.e., less, than the laser wavelength) metal (Au) layer, coherent collective e.m. waves can be excited , which in turn , on the other side of the metal may create an evanescent e. m. field, which reaches fields 100 times of the inducing laser field. This arrangement may be considered and used as a “miniature” size superintense laser source delivering ~ PW /cm ^2 when generated by a focused beam. The new processes enumerated above may be produced and studied in this special experimental space region in a new way .




 

Final report

  
Results in Hungarian
Bebizonyítottuk, hogy az elektronok intenzív kvantált sugárzási térrel való kölcsönhatása fotonszám-fázis minimális bizonytalanságú, különleges statisztikájú fotonállapotok kialakulását eredményezi. Elemeztük a foton-elektron összefonódást, a Hanbury Brown és Twiss (HBT) típusú korrelációk extrém (attoszekundumos) fényjelek diagnosztikájában való alkalmazhatóságát, és általunk bevezetett „attoszekundumos sörétzaj” szerepét. A felületeken (pl. vékony fémrétegen, plazmarétegen és grafénen) lejátszódó intenzív lézer-anyag kölcsönhatásoknál elemeztük az ún. vivő-burkoló fázis szerepét különböző nemlineáris folyamatokban. Kifejlesztettük az elektronok kétdimenziós kinematikájának Wigner-függvényes leírását. Az ultrarövid fényimpulzusok grafénen történő szóródásának elemzése során általunk előrejelzett „relativisztikus levágás” optikai négyszögimpulzusok generálását teheti lehetővé. Kísérletileg észleltük és elméletileg értelmeztük felületi plazmonok térerősítését, s az evaneszcens terek nemlineáris optikai hatásait (felharmonikus-keltés, sokfotonos elektron emisszió és gyorsítás), és demonstráltuk, hogy az elektronok 2-3 femtoszekundumos csomagokban hagyják el a fémfelületet, az intenzitás-bulkolót követve. A plasmon-bomláskor (kollektív fékezési sugárzásakor) keletkező ultrarövid fényjelek nemklasszikus HBT-korrelációját, és a fotoncsomósodásból a ritkulásba való átmenetet elsőként mutattuk ki és értelmeztük az általunk kidolgozott elmélet alapján.
Results in English
We analysed entanglement in the interaction of electrons with a strong quantized radiation field, which leads to the generation of number-phase minimum uncertainty states. On the basis of these results we introduced the concept of "attosecond shot-noise" and shown how the Hanbury Brown and Twiss (HBT) type correlations can be used for probing extreme light signals. We developed the Wigner function description of the kinematics of electrons in two-dimensional geometry. We studied in details the role of carrier-envelope phase difference effects in strong field laser- matter interactions at surfaces (thin metal or plasma layers and graphene). We predicted the new phenomena of "relativistic clipping" appearing in the scattering of ultrasort pulses on graphene, which may lead to rectangular optical pulses. We have observed experimentally and described theoretically that in surface plasmon enhanced evanescent electric fields, strong-field optics effects exist (high-harmonic generation, nonlinear electron emission and acceleration). These are characteristic for surface plasmon physics, they otherwise occur only in fields, higher than those produced by our exciting laser. We demonstrated that the electrons leave the surface in 2-3 fs-long bunches, following the intensity envelope of the surface plasmons. We measured and theoretically interpreted for the first time HBT type correlations in decaying surface plasmon light, and found the transition from antibunching to bunching.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=73728
Decision
Yes





 

List of publications

  
Varró S: Correlations in single-photon experiments, Fortschritte der Physik 56, 91-102, 2008
Varró S and Farkas G: Attosecond electron pulses from interference of above-threshold de Broglie waves, Laser and Part. Beams 26, 9-19, 2008
Varró S: The role of self-coherence in correlations of bosons and fermions in linear counting experiments., Forschritte der Physik- Progress of Physics, 59, 296-324 (2011), 2011
Varró S,: Entangled states and entropy remnants of a photon-electron system., Physica Scripta T140, 014038 (2010), 2010
Varró S: Entangled photon-electron states and the number-phase minimum uncertainty states of the photon field, New J. Phys. 10, 053028, 2008
Varró S,: Intensity effects and absolute phase effects in nonlinear laser - matter interactions. Ch 12, pp 243-266, Laser Pulse Phenomena and Applications (Editor Duarte F J, INTECH, ISBN 978-953-305-4, 2011), 2011
Varró S, Kroó N, Oszetzky D, Nagy A, Czitrovszky A,: Hanbury - Brow Twiss type correlations with surface plasmon light., Journal of Modern Optics 58, 2049-2057 (2011), 2011
Varró S,: Interference phenomena and whispering-gallery modes of synchrotron radiation in a cylindrical wave-guide. Ch. 7, pp 175-186 (2012), Free Electron Lasers (Editor Varró S), INTECH 2012 ISBN 978-953-51-0279-3, 2012
Varró S,: Graphene-based carrier-envelope phase difference meter., AIP Conference Proceedings of LEI-2011 (Book of Abstract of LEI-2011, p43), 2012
Varró S, Kroó N, Farkas Gy and Dombi P: Spontaneous emission of radiation by metallic electrons in the presence of electromagnetic fields of surface plasmon oscillations., Journal of Modern Optics, 2010
Schleich* W P, Dahl* J P, Varró S: Wigner function for a free particle in two dimensions, Opt. Comm; 283, 786-789, 2010, 2010
Varró S: Entangled states and entropy remnants of a photon-electron system, Physica Scripta; T140, 014038/1-8, 2010, 2010
Varró S, Kroó N: Nonlinear photoelectron emission from metal surfaces induced by short laser pulses. The effects of field enhancement by surface plasmons, Appl. Phys. B (Germany); 105, 509-515 (2011), 2011
Varró S: Intensity effects and carrier-envelope phase difference effects in nonlinear laser-matter interactions, Laser Pulses and Applications, INTECH Open Access Publisher, ISBN: 978-953-307-242-5, pp243-266(2010), 2010
Varró S: Bevezetés az intenzív lézerfény és anyag kölcsönhatásainak elméleti leírásába. I; (Introduction to the theoretical description of intensive laser field-matter interaction, Szeged University Press, Szeged, in Hungarian; pp. 1-57, 2010
Varró S: Correlations in single-quantum experiments. Notes on the wave-particle duality, Invited talk. Book of Abstracts PQE-2010, p. 252., The 40th Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics. (January 3-7, 2010 – Snowbird, Utah, USA), 2010
Varró S: Neutron antibunching in a recent experiment, Book of Abstracts PQE-2010, p. 253., The 40th Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics. (January 3-7, 2010 – Snowbird, Utah, USA), 2010
Varró S: Classical phenomenology of photon anticorrelations in linear counting experiments, Contributed talk. Book of Abstracts CEWQO-2010, p. 63., 17st Central European Workshop on Quantum Optics. (June 6-11, 2010 – St Andrews, United Kingdom), 2010
Varró S: Attosecond shot noise, Contributed talk. Book of Abstracts ECLIM XXXI, p. 46., 31st European Conference on Laser Interaction with Matter. (September 6-10, 2010 – Budapest, Hungary), 2010
Varró S: Selényi Pál és a kvantumelektrodinamika. Az interferencia szerepe egyfotonos korrelációs kísérletekben (Pál Selényi and the quantumelectrodynamics. The role of interferen, Invited talk. Book of Abstracts, p. 75. Fizikus Vándorgyűlés (Hungarian Physicists Meeting, August 24-27, 2010 – Pécs, Hungary) (in Hungarian), 2010
Varró S: Temporal Talbot effect in propagation of attosecond electron waves, Book of Abstracts ECLIM XXXI, p. 83., 31st European Conference on Laser Interaction with Matter. (6-10 September, 2010 – Budapest, Hungary), 2010
Varró S, Kroó N: Nonlinear plasmonics with short laser pulses, Invited talk. Book of Abstracts ALT’10, p. 94., 18th International Conference on Advanced Laser Technologies. (September 11-16, 2010 – Egmond aan Zee, the Netherlands, 2010
Varró S and Kroó N: Theoretical aspects of Hanbury Brown and Twiss type correlations mediated by surface plasmons, Invited talk. Book of Abstracts PQE-2011, p. 161., The 41st Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics. (January 2-6, 2011 – Snowbird, Utah, USA), 2011
Varró S: Bevezetés az intenzív lézerfény és anyag kölcsönhatásainak elméleti leírásába. I; (Introduction to the theoretical description of intensive laser field-matter interaction, Lecture note, Szeged University, Szeged, 2010, in Hungarian); pp. 1-57, 2010
Varró S: On the question of the existence of needle radiation. The 100 years old experiment on wide-angle interference and the modern concept of photons, Invited talk. Book of Abstracts PQE-2011, p. 260., The 41st Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics. (January 2-6, 2011 – Snowbird, Utah, USA), 2011
Varró S: Attosecond shot noise and electron interference, Poster. Book of Abstracts PQE-2011, p. 261., The 41st Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics. (January 2-6, 2011 – Snowbird, Utah, USA), 2011
Varró S: Spatio-temporal extension of extreme electromagnetic signals, Invited Talk. Book of Abstracts, p. 29., The 9th Workshop on Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation (April 13-14, 2011), 2011
Schleich W, Dahl J-P and Varro S: Wigner function for a free particle in two dimensions, Optics Communication, 2010
Varro S, Kroo N, Farkas Gy and Dombi P.: Spontaneous emission of radiation by metallic electrons in the presence of electromagnetic fields of surface plasmon oscillations., Journal of Modern Optics 57, 80-90, 2010, 2010
P. Dombi, P. Rácz, M. Lenner, N. Kroó, G. Farkas, A. Mitrofanov, A. Baltuska, T. Fuji, F. Krausz, S. E. Irvine, A. Elezzabi: Ultragyors fényforrásokkal keltett felületi plazmonok”,, Fizikus Vándorgyűlés (in Hungarian), Pécs, Hungary (2010)., 2010
P. Rácz, S. E. Irvine, M. Lenner, A. Mitrofanov, A. Baltuska, A. Y. Elezzabi and P Dombi: Strong-field plasmonic electron acceleration with few-cycle phase-stabilized laser pulses, Appl. Phys. Lett. 98, 111116 (2011)., 2011
P. Dombi: Novel schemes for attosecond pulse generation, (invited), SPIE Optics and Optoelectronics, Prága, Paper 8080B-40 (2011)., 2011
A. Fülöp, P. Dombi, Gy. Farkas, J. Hebling, K. Varjú: Attosecond Pulse Generation in Noble Gases in the Presence of Extreme High Intensity THz Pulse, Optical Terahertz Science and Technologies, Santa Barbara, USA (2011)., 2011
Mücke OD*, Sidorov D*, Dombi P, Pugzlys A*, Alisauskas A*, Smilgevicius V*, Forget N*, Posius J*, Giniunas L*, Danielius R*, Baltuska A*:: 10-mJ optically synchronized CEP-stable chirped parametric amplifier at 1.5 m, Opt. Spectrosc. 108, 456-462, 2010, 2010
Dombi P, Irvine SE*, Rácz P, Lenner M, Kroó N, Farkas G, Mitrofanov A*, Baltuska A*, Fuji T*, Krausz F*, Elezzabi AY: Observation of few-cycle, strong-field phenomena in surface plasmon fields., Opt. Express 23, 24206-24212 , 2010, 2010
P. Dombi, P. Rácz: Ultrafast electron emission from metals:the role of surface plasmon, number 7600-39, SPIE Photonics West, San Francisco, USA, (2010)., 2010
P. Dombi, P. Rácz, M. Lenner, N. Kroó, G. Farkas, A. Mitrofanov*, A. Baltuska*, T. Fuji*, F. Krausz*, S. E. Irvine*, A. Elezzabi*,: P. Rácz, S. E. Irvine*, M. Lenner, N. Kroó, G. Farkas, T. Fuji*, F. Krausz*, A. Y. Elezzabi* and P. Dombi,, 31st European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM), Budapest, Hungary (2010)., 2010
P. Maák, M. Veress, R. Szipőcs, P. Antal, P. Dombi, P. Rácz, G. Kurdi, P. Richter: „Akusztooptikai eszközök alkalmazásai femtoszekundumos lézerimpulzusok kezelésére”, Fizikus Vándorgyűlés (in Hungarian), Pécs, Hungary (2010)., 2010
K. Varjú*, J. A. Fülöp*, P. Dombi, Gy. Farkas and J. Hebling*,: Attosecond Pulse Generation in Noble Gases in the Presence of Extreme High Intensity THz Pulses, Conference on Lasers and Electro-optics (CLEO), paper: JThE120 (2010), 2010
E. Balogh*, J.A. Fülöp*, J. Hebling*, P. Dombi, G. Farkas, K. Varjú*,: Attosecond Pulse Generation in Noble Gases in the Presence of Extreme High Intensity THz Pulses, 31st European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM), Budapest, Hungary, 2010, 2010
Farkas Gy: Nobel-dijasok között, Természet Világa 142. évf. 2011. I. különszáma, Emberközelben a fizika; KFKI-60, p.63-68 (2011), 2011
M. Lenner, P. Rácz, P. Dombi, G. Farkas and N. Kroó: Field enhancement and rectification of surface plasmons detected by scanning tunneling microscopy, Phys. Rev. B, accepted, 2011




 

Events of the project

  
2020-07-03 12:08:19
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: SZFI - Alkalmazott és Nemlineáris Optikai Osztály (Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: SZFI - Elméleti Szilárdtest-fizikai Osztály (Wigner Fizikai Kutatóközpont).
2013-01-23 13:47:53
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: SZFI - Lézerfizikai Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: SZFI - Alkalmazott és Nemlineáris Optikai Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont).
2010-11-19 10:57:20
Résztvevők változása
2010-09-08 13:04:53
Résztvevők változása
2009-05-21 10:04:26
Résztvevők változása



Back »