康奈尔大学的研究人员开发出一种能够将激光脉冲转换成高谐波的纳米结构，这可以说是破纪录式的发现！他们还研究了发生在阿秒级到百万分之一秒的全物理过程，这一发现为高分辨率成像铺平了道路。

▲红外激光击中磷化镓(Gallium phosphide)亚表面，有效产生偶次和奇次高次谐波。来源：Daniil Shilkin

长期以来高谐波被用于将脉冲激光器的光子合并成一个能量高得多的超短光子，从而形成各科研和应用中所需要的极紫外光和x光。过去谐波的来源主要是气体放电，但康奈尔大学工程学院应用工程物理学教授Gennady Shvets领导的研究小组已经表明，工程纳米结构在这一应用中也不遑多让。

2021年7月7日该校博士后助理研究员Maxim Shcherbakov（后成为加州大学欧文分校的助理教授）作为主要作者，在《Nature Communications》上发表了论文《利用单次和多次超强激光脉冲在谐振亚表面产生偶次和奇次高次谐波》(Generation of Even and Odd High Harmonics in Resonant Metasurfaces Using Single and Multiple Ultra-Intense Laser Pulses)，详细介绍了这项研究。

该团队创造的纳米结构构成了超薄共振磷化镓亚表面，克服了许多气体和其他固体中产生高谐波相关的常见问题。磷化镓这一材料允许所有数量级的谐波，而不会重新吸收它们，特殊的结构可以与激光脉冲的整个光谱相互作用。Shcherbakov解释说：“实现这一点需要使用全波仿真技术对亚曲面的结构进行工程设计。我们仔细选择并确定了磷化镓粒子的参数来满足这一条件，然后通过为其定制的纳米制造流程使其公之于众。”

其结果是纳米结构能够产生偶次和奇次谐波——这是大多数其他谐波材料难以做到的，涵盖了1.3至3电子伏的光子能量。这种令人惊叹的转换效率使科学家能够仅用一次激光照射就可观察到材料中的分子和电子运动，有效地避免了多次高能照射对样品的破坏，从而更好地保存样品。这项研究首次观察到单个激光脉冲产生的高谐波辐射，这使得亚表面能够承受比之前在其他亚表面显示的高5到10倍的功率。Shcherbakov称这一研究十分具有价值——“这为超高领域研究物质开辟了新的机会，通过这一方法我们甚至可以想象人们之后可以研究亚表面以外的材料，包括但不限于晶体、2D材料、单原子、人造原子晶格和其他量子系统。”

目前，研究团队已经展示了使用纳米结构产生高谐波的优势，他们希望通过将纳米结构堆叠在一起来取代固态光源（如晶体），从而改善高谐波设备和设施。

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