Precision Measurement Institute fremskridt i teoretisk undersøgelse af flydende Terahertz-bølgegenereringsmekanismer

Terahertz-bølger er værdifulde i kommunikations- og billedbehandlingsapplikationer. Den ikke-lineære interaktion mellem ultrahurtige lasere med stærkt felt og stof er en af ​​de vigtige måder at generere terahertz-bølger på. Eksperimentelle og teoretiske undersøgelser relateret til terahertz-genererende medier såsom plasma, gas og krystaller er relativt godt undersøgt. Flydende vand, som er et meget stærkt absorberende medium for terahertz-bølger, er imidlertid ikke blevet rapporteret at generere terahertz-bølger. I 2017 blev det eksperimentelt fundet, at terahertz-bølger udstråles mere end absorberet, når væskefilmtykkelsen eller væskestrålediameteren reduceres til mikrometerskalaen. Dette åbnede en ny retning inden for flydende terahertz-bølgeforskning.
I de senere år har der været eksperimentelle rapporter inden for flydende terahertz-bølger, men flere fænomener observeret eksperimentelt er forskellige fra resultaterne fra andre medier. For eksempel: et monokromatisk laserfelt kan effektivt generere flydende terahertz-bølger, mens gasmediet kræver en specifik faseforskel af tofarvelaseren; udbyttet af den flydende terahertz-bølge er proportional med energien af ​​den drivende laser, mens der i gasmediet er et kvadratisk forhold; i et vist område af flydende terahertz-bølgeudbyttet med forøgelsen af ​​laserens pulsbredde øges, mens det modsatte er tilfældet for gasmediet; i to-farve laserdrevet, den flydende terahertz-bølge Der opstår et ikke-moduleret signal i den flydende terahertz-bølge, der drives af en to-farvet laser, mens der ikke ses noget lignende signal i gasmediet. Den teoretiske undersøgelse af komplekse og uordnede væskefasesystemer har altid været et vanskeligt problem, og ovenstående fænomener er vanskelige at forklare med eksisterende teorier. Forskere kan kun forklare nogle makroskopiske eksperimentelle resultater ved høj lysintensitet baseret på tidligere plasmamodeller og grænsefladeeffekter.
For nylig foreslog Bian Xuebin, en forsker ved Institute of Precision Measurement Science and Technological Innovation (IPMSI) fra det kinesiske videnskabsakademi (CAS), og Li Zhengliang, en doktorand, en forskydningsstrømmodel til generering af flydende terahertz-bølger, som kan systematisk forklare rækken af ​​anomalier observeret i ovenstående forsøg. Det fysiske billede af den mikroskopiske mekanismemodel er vist i figuren: væskens uordnede struktur gør elektronbølgepakken lokaliseret, mens energien af ​​de ydre elektroner fra forskellige molekyler forskydes af miljøet, og de ydre elektroner af forskellige molekyler. under påvirkning af stærkfeltlaseren gennemgå et hop for at generere forskydningsstrømme i det asymmetriske system. Energiforskellen på disse spring er i terahertz-energiområdet, som igen udstråler terahertz-bølger. Samtidig viser dette arbejde, at atomkernens kvanteeffekt spiller en nøglerolle, og forudsiger, at terahertz-stråling kan studere væskes isotopeffekt.
Ovenstående resultater er endnu et teoretisk fremskridt for Xuebin Bians team inden for væskefase-stærkfelt ultrahurtig dynamikforskning, efter den højharmoniske statistiske stignings- og faldmodel. De relaterede forskningsresultater blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) under titlen Terahertz-stråling induceret af skiftstrømme i væsker. Forskningsarbejdet blev støttet af Kinas nationale nøgleforsknings- og udviklingsprogram, Kinas nationale naturvidenskabelige fond og programmet for stabil støtte til unge teams i grundlæggende forskningsområder under det kinesiske videnskabsakademi.

Skematisk diagram af flydende terahertz-bølgegenerering