High-order harmonic generation in semiconductor crystal

The interaction of an intense femtosecond pulse with matter gives rise to high-order harmonics of the fundamental frequency. This process, called high-order harmonic generation (HHG), has been intensively studied in atoms and molecules, constituting the basis of attosecond science. Only recently, the HHG process was observed from bulk crystals. Following the route of the molecular case, the HHG from solids has been first described through a classical model, resembling the three-step model in gases and then trough a semi-classical one, adapting the Lewenstein model for the crystalline case. From theoretical analysis, interesting features arise, which are not present in the gases phase. Indeed in the condensed matter, a much more complex behaviour appears, because of the interplay between inter-band and intra-band currents inside the crystal, giving the possibility to probe ultrafast dynamics and the perspective of building new compact short-wavelength light source. This thesis work aims to investigate the HHG process from semiconductor crystals driven by a Mid-Infrared source. In particular, a reflection configuration has been exploited and a polarimetry measurement has been performed. To support the experimental observations, simulations have been performed, showing that the harmonic field contains information about the symmetry of the crystal. Moreover, the complete characterization of the polarization state of the emitted harmonics as a function of the crystal orientation shows that, for particular crystal directions, it is possible to generate an elliptically polarized high-order harmonic radiation from a linearly polarized driving source. This can eventually help for a better understanding of the microscopic origin of the HHG process in the condensed matter phase.

L'interazione di un intenso impulso a femtosecondi con la materia dà origine ad armoniche di ordine elevato della frequenza fondamentale. Questo processo, chiamato generazione di armoniche di ordine elevato (HHG), è stato studiato ampiamente negli atomi e nelle molecole, costituendo la base della scienza agli attosecondi. Solo di recente, il processo HHG è stato osservato anche nei solidi cristallini. Seguendo il percorso fatto per il caso molecolare, tale processo è stato dapprima descritto attraverso un modello classico, simile al Three-Step model nei gas e poi attraverso a quello semiclassico, adattando il modello di Lewenstein al caso cristallino. Da un’analisi teorica, emergono caratteristiche interessanti non presenti nella fase gassosa. Infatti, nella materia condensata appare un comportamento molto più complesso a causa dell'interazione tra le correnti interbanda e intrabanda all'interno del cristallo, dando la possibilità di sondare dinamiche ultraveloci e la prospettiva di costruire nuove sorgenti compatte a lunghezze d'onda corte. Lo scopo di questo lavoro di tesi è indagare il processo HHG da cristalli semiconduttori guidato da una sorgente nel medio infrarosso. In particolare, è stata adottata una configurazione in riflessione ed è stata eseguita una misura polarimetrica. Per supportare le osservazioni sperimentali, sono state eseguite delle simulazioni numeriche, dimostrando che le armoniche emesse contengono informazioni sulla simmetria del cristallo. Inoltre, è stata eseguita una completa caratterizzazione dello stato di polarizzazione delle armoniche emesse in funzione dell'orientamento del cristallo, mostrando che, per particolari direzioni del cristallo, è possibile generare armoniche di ordine elevato polarizzate ellitticamente partendo da una sorgente laser polarizzata linearmente. Eventualmente, questo può aiutare a raggiungere una migliore comprensione dell'origine microscopica dell’HHG nella materia condensata.