Advanced pulse compression scheme for attosecond spectroscopy and electronic investigation of insulator

Conventional electronics technology is approaching its saturation limit in terms of speed and miniaturization, limiting the operating frequency of devices below the terahertz (10^12 Hz) band. Overcoming this barrier requires the development of the next generation of electronics, known as petahertz (10^15 Hz) electronics, achievable by directly manipulating charge carriers in solid materials through ultrashort light fields. Despite recent successes in demonstrating electro-optical control on this ultrafast time scale, a comprehensive understanding of photoinduced charge dynamics is still lacking. To unravel the mechanisms governing these ultrafast phenomena, the AuDACE laboratory at the Politecnico di Milano uses attosecond transient spectroscopy (ATS), a technique capable of investigating the electronic response of solids to an intense field with attosecond (10^−18 s) resolution. This thesis fits into this context with a twofold contribution. On the one hand, a significant improvement has been made to the experimental setup through the development of an advanced post-compression system. This advance has allowed for the coupling of more energetic infrared pulses, enhancing the intensity of the incident field on the sample. This will allow for greater material perturbation in future experimental investigations, allowing for the observation of complex phenomena and expanding the scope of investigation to include more intense interaction regimes. On the other hand, an experimental campaign was conducted on lithium fluoride, a wide-bandgap insulator of considerable interest. This research aims to explore the transient optical response of the material in a strong interaction regime, providing an essential basis for understanding its electronic properties and for the design of future petahertz devices.

La tecnologia elettronica convenzionale si sta avvicinando al limite di saturazione in termini di velocità e miniaturizzazione, limitando la frequenza operativa dei dispositivi al di sotto della banda dei terahertz (10^12 Hz). Il superamento di questa barriera richiede lo sviluppo di una nuova generazione di elettronica, nota come elettronica petahertz (10^15 Hz), realizzabile manipolando direttamente i portatori di carica nei materiali solidi attraverso campi di luce ultrabrevi. Nonostante i recenti successi nel dimostrare il controllo elettro-ottico su questa scala temporale ultraveloce, manca ancora una comprensione completa della dinamica della carica fotoindotta. Per svelare i meccanismi che governano questi fenomeni ultraveloci, il laboratorio AuDACE del Politecnico di Milano utilizza la spettroscopia transitoria ad attosecondi (ATS), una tecnica in grado di studiare la risposta elettronica dei solidi a un campo intenso con risoluzione dell’ordine degli attosecondi (10^−18 s). Questa tesi si inserisce in questo contesto con un duplice contributo. Da un lato, è stato apportato un significativo miglioramento all’apparato sperimentale attraverso lo sviluppo di un sistema di post-compressione avanzato. Questo progresso ha consentito l’accoppiamento di impulsi infrarossi più energetici, aumentando l’intensità del campo incidente sul campione. Ciò consentirà una maggiore perturbazione del materiale nelle future indagini sperimentali, consentendo l’osservazione di fenomeni complessi e ampliando l’ambito di indagine per includere regimi di interazione più intensi. Dall’altro, è stata condotta una campagna sperimentale sul fluoruro di litio, un isolante a banda larga di notevole interesse. Questa ricerca mira a esplorare la risposta ottica transitoria del materiale in un regime di forte interazione, fornendo una base essenziale per la comprensione delle sue proprietà elettroniche e per la progettazione di futuri dispositivi petahertz.