At generere terahertz -stråling fra vand gør det umuligt, muligt

Xi-Cheng Zhang har arbejdet i næsten et årti for at løse et videnskabeligt puslespil, som mange i forskersamfundet mente var umuligt:​​at producere terahertz-bølger-en form for elektromagnetisk stråling i det langt infrarøde frekvensområde-fra flydende vand.

Nu, som rapporteret i et papir offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver , forskere ved University of Rochester har "gjort det umulige, muligt, "siger Zhang, M. Parker Givens professor i optik. "At finde ud af, hvordan man genererer terahertz -bølger fra flydende vand, er et grundlæggende gennembrud, fordi vand er et så vigtigt element i menneskekroppen og på Jorden."

Terahertz -bølger har tiltrukket øget opmærksomhed for nylig på grund af deres evne til ikke -destruktivt at passere gennem faste genstande, herunder tøj, papir, træ, plast, og keramik, og producere billeder af objekternes interiør. Derudover energien af ​​en terahertz-foton er svagere end en røntgenfoton. I modsætning til røntgenstråler, terahertz-bølger er ikke-ioniserende-de har ikke nok energi til at fjerne en elektron fra et atom-så de har ikke de samme skadelige virkninger på menneskeligt væv og DNA.

På grund af disse evner, terahertz -bølger har unikke applikationer inden for billeddannelse og spektroskopi - alt fra at opdage bomber i mistænkelige pakker, at identificere vægmalerier gemt under malingstrøk, til at opdage huller i tænderne.

"Terahertz -bølger har en kapacitet til at gennemskue tøj, derfor har du disse sub-terahertz kropscannere i lufthavne, "Zhang siger." Disse bølger kan hjælpe med at identificere, om et objekt er eksplosivt, kemisk, eller biologisk, selvom de ikke præcist kan fortælle, hvad objektet er. "

Zhangs forskergruppe bruger lasere til at generere terahertz -pulser via interaktion med et mål. I dette tilfælde, målet er en ekstremt tynd film af vand - cirka 200 mikron eller omkring tykkelsen af ​​to stykker papir - skabt ved hjælp af vand suspenderet af overfladespænding mellem to aluminiumstråde. Forskere fokuserer en laser i vandfilmen, som fungerer som en emitter for terahertz -strålingsudgangen.

Tidligere forskere har genereret terahertz -bølger fra mål for faste krystaller, metaller, luftplasma, og vanddamp, men, indtil nu, flydende vand har vist sig undvigende.

"Vand blev betragtet som fjenden for terahertz -bølger på grund af vandets stærke absorption, "Siger Zhang." Vi forsøgte altid at undgå vand, men det er en overraskende effektiv terahertz -kilde. "

Faktisk, da forskere målte terahertz -bølgerne genereret af vandet, de fandt, at de var 1,8 gange stærkere end terahertz -bølgerne genereret fra luftplasma under sammenlignelige forsøgsbetingelser.

Fordi vand er en så stærk absorber, imidlertid, mange mennesker i forskningsmiljøet mente, at det ville være umuligt at bruge vand som mål. Zhang selv har brugt år på at forsøge en løsning, og han fandt en ligeledes trofaste i Qi Jin, nu ph.d. -kandidat i optik i Rochester, og hovedforfatteren på papiret.

"Næsten alle troede, at vi ikke ville være i stand til at få et signal fra vand, "Siger Jin." Først, Jeg troede heller ikke på det. "

En af udfordringerne var at lave en film med vand tyndt nok til, at terahertz -fotoner genereret af laserstrålen ikke ville blive absorberet, men tyk nok til at modstå laserens energi.

Sammen med Yiwen E, en postdoktor i Zhangs forskningsgruppe, Jin brugte måneder på at optimere tykkelsen af ​​vandfilmen og hændelsesvinklen, intensitet, og pulsvarighed af laserstrålen.

"Vi øgede vandets tykkelse en lille smule, og gradvist øget laseren, og fortsatte med at prøve, indtil vi kunne få det til at fungere, "Jin siger." Vand er en af ​​de rigeste ressourcer på jorden, så det var virkelig vigtigt for os at kunne generere disse bølger fra vand. Der var mange gange, jeg ville opgive dette, men folk i laboratoriet blev ved med at opmuntre mig. "

Zhang er enig:"Jeg fortæller altid mine studerende og forskere her:hvis du prøver noget, du får muligvis ikke det resultat, du ønskede. Men hvis du aldrig prøver det, det får du bestemt ikke. "