Лазерный импульс врезается в кристалл Ca0.4Sr0.6CuO2, и внутри цепочек из атомов меди и кислорода начинается танец, который длится меньше одной миллионной доли наносекунды. В обычном проводнике электроны свободно бегут по материалу, но здесь сильное кулоновское отталкивание держит их на местах, как пассажиров в переполненном автобусе. Свет выбивает электрон с его места, и образуется пара: дублон (два электрона на одном узле) и холон (пустое место). Эти двое связаны, как партнёры в танце, и их движение определяет, какой свет родится при их встрече.
Когда дублон и холон снова сближаются, они аннигилируют, и избыток энергии уходит в виде фотона. Если лазерное поле сильное, такие встречи происходят много раз за одно световое колебание, и рождаются высокие гармоники — излучение на частотах, кратных частоте лазера. В этой работе лазер светил на длине волны 3.5 микрометра, а гармоники были вплоть до двенадцатой. Чтобы вытащить информацию о движении пары, учёные использовали двухцветное поле: к основному импульсу добавили слабый импульс на удвоенной частоте. Это нарушило симметрию и позволило наблюдать чётные гармоники, которые обычно запрещены.
Измерив сдвиг максимумов чётных гармоник при изменении относительной фазы двух импульсов, авторы получили чирп 0.19 фс/эВ. Это значит, что двенадцатая гармоника рождается на 0.19 фемтосекунды позже шестой. Такая задержка согласуется с полуклассической моделью, где дублон и холон разлетаются под действием поля, а затем возвращаются и рекомбинируют. Чем дальше они разлетелись, тем больше энергии накопили и тем выше частота излучения. Это похоже на пружину: чем сильнее её растянуть, тем выше будет звук при отпускании.
Но танец не идеален. Измерение временного профиля эмиссии показало, что высокие гармоники подавляются в поздней части импульса. Причина — рассеяние на носителях, накопленных за время действия лазера. Дублон и холон, двигаясь по цепочке, натыкаются на другие возбуждения и теряют синхронность, как танцоры, которых толкают в толпе. Характерная длина, на которой пара теряет когерентность, оказалась около половины постоянной решётки. Это фундаментальное ограничение для когерентного контроля в сильно коррелированных системах.
Танец дублонов и холонов, запечатлённый в чирпе высоких гармоник, открывает окно в мир сверхбыстрых процессов в квантовых материалах. Теперь можно не просто видеть усреднённый спектр, но и следить за движением квазичастиц внутри одного светового цикла. А ограничение, наложенное дефазировкой, ставит честные рамки для будущих попыток управлять такими системами светом.
Дублон-холонная пара в одномерном моттовском изоляторе напоминает пару «электрон-дырка» в полупроводнике, но с принципиальной разницей: дублон и холон не являются независимыми квазичастицами, их движение жёстко скоррелировано из-за сильного кулоновского взаимодействия. В эксперименте использовался материал, родственный купратным сверхпроводникам, где те же цепочки Cu-O играют ключевую роль в высокотемпературной сверхпроводимости.