Forskere skaber verdens stærkeste ioniserende terahertz-stråling

Terahertz-bølger, kendt som ikke-ioniserende stråling, kan blive til ioniserende stråling, når tilstrækkeligt mange terahertz-fotoner er fokuseret i rum og tid. Et hold ledet af videnskabsmænd i Korea og USA har skabt verdens mest intense terahertz-impulser, der øjeblikkeligt kan ionisere atomer og molekyler og omdanne dem til plasma.

Undersøgelsen, offentliggjort i Light:Science &Applications , diskuterer terahertz-drevet tunnelionisering, som vil bane vejen for ekstrem ikke-lineær og relativistisk terahertz-fysik i plasmaer.

Liggende mellem mikrobølge- og infrarøde områder af det elektromagnetiske spektrum lukkes terahertz-gabet (1 THz =10¹² Hz) hurtigt af udvikling af nye terahertz-kilder og detektorer med lovende anvendelser inden for spektroskopi, billeddannelse, sensing og kommunikation.

Disse applikationer har stor gavn af terahertz-kilder, der leverer højenergi- eller højgennemsnitseffektstråling. På den anden side er terahertz-kilder med høj intensitet eller stærkt felt afgørende for at observere eller udnytte nye ikke-lineære terahertz-stof-interaktioner, hvor de elektriske og/eller magnetiske feltstyrker spiller en nøglerolle.

Holdet af videnskabsmænd, ledet af Dr. Chul Kang fra Advanced Photonics Research Institute, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), Korea, og professor Ki-Yong Kim fra Institute for Research in Electronics and Applied Physics, University of Maryland, College Park, Maryland, USA, har skabt verdens stærkeste terahertz-felter på 260 megavolt pr. centimeter (MV/cm) eller tilsvarende spidsintensitet på 9 x 10¹³ watt pr. kvadratcentimeter (W/cm²).

Denne højeste feltstyrke eller intensitet er den hidtil højeste værdi ved terahertz-frekvenser (0,1~20 THz), inklusive alle typer terahertz-kilder, der anvender lasere, frie elektronlasere, acceleratorer og vakuumelektronik.

For at producere højenergi-terahertz-impulser brugte forskerne en 150-terawatt-klasse Ti:safir-laser til at omdanne optisk energi til terahertz-stråling (såkaldt optisk ensretning) i lithiumniobat (LiNbO₃), en krystal, der udviser stærke ulineariteter og høje skadestærskler. De brugte især en lithiumniobatwafer med stor diameter (75 mm), også dopet med 5 % magnesiumoxid (MgO), til at producere energi-opskalerbar terahertz-stråling.

For effektiv konvertering fra optisk til terahertz-stråling skal en anden vigtig faktor tages i betragtning:fase- (eller hastigheds-) tilpasning. Forskerne forklarede:"Hvis den optiske laserimpuls, der genererer terahertz-stråling, forplanter sig med samme hastighed som de genererede terahertz-bølger i lithiumniobat, så kan udgangs-terahertz-energien kontinuerligt vokse med udbredelsesafstanden.

"Konventionelt bruges en tilted pulse front-metode til at tilfredsstille fasetilpasning i et prismeformet lithiumniobat. Denne metode producerer dog for det meste lavfrekvent terahertz-stråling, typisk med et toppunkt på mindre end 1 THz, hvilket naturligt fører til relativt stort fokal. pletstørrelser (~mm), hvilket begrænser den højeste terahertz-feltstyrke ved fokus."

Holdet har tidligere fundet en ny fasetilpasningstilstand i lithiumniobat, som ikke kræver nogen pulsfronttiltning. De bemærkede, "Hastigheden af ​​terahertzbølger er generelt frekvensafhængig og varierer så stort mellem to fononresonansfrekvenser, at der eksisterer en frekvens, hvor både terahertz- og laserimpulser udbreder sig med samme hastighed."

"Dette sker ved ca. 15 THz for Ti:safir-laserimpulser med en central bølgelængde på 800 nm. Denne fasetilpasning gjorde det muligt at producere millijoule-niveau terahertz-bølger. Desuden kan den resulterende 15-THz-stråling være tæt fokuseret, hvilket potentielt kan producere stærke elektromagnetiske felter i fokus."

Forskerne har omhyggeligt bestemt de maksimale elektriske og magnetiske feltstyrker, 260 ± 20 MV/cm og 87 ± 7 T ved fokus, ved separat at måle terahertz-energien, brændpunktets størrelse og pulsvarighed.

"Sådan en intens terahertz-puls, når den fokuseres i et gasformigt eller fast medium, kan tunnelionisere de indgående atomer eller molekyler, og omdanne mediet til et plasma. Som et principbevis har vi påvist terahertz-drevet ionisering af forskellige faste mål, bl.a. metaller, halvledere og polymerer," understregede de.

"Vores terahertzkilde bruger en plan lithiumniobatkrystal og er lovende til at opskalere outputenergien og feltstyrken yderligere. Dette kan generere superstærke (~GV/cm) terahertzfelter," tilføjede de.

Forskerne mener, at deres forskning vil åbne op for nye muligheder for ikke kun at studere ikke-lineære effekter i terahertz-producerede plasmaer, men også at udnytte terahertz-drevne ponderomotive kræfter til forskellige applikationer, herunder multi-keV terahertz harmonisk generering og endda studere relativistiske effekter af terahertz-accelererede elektroner .