Pokrok inštitútu presného merania v teoretickom štúdiu mechanizmov generovania tekutých terahertzových vĺn

Terahertzové vlny sú cenné v komunikačných a zobrazovacích aplikáciách. Nelineárna interakcia ultrarýchlych laserov so silným poľom s hmotou je jedným z dôležitých spôsobov generovania terahertzových vĺn. Experimentálne a teoretické štúdie týkajúce sa médií generujúcich terahertz, ako je plazma, plyn a kryštály, sú pomerne dobre študované. Avšak nebolo hlásené, že tekutá voda, ktorá je veľmi silným absorbujúcim médiom pre terahertzové vlny, generuje terahertzové vlny. V roku 2017 sa experimentálne zistilo, že terahertzové vlny sú viac vyžarované ako absorbované, keď je hrúbka tekutého filmu alebo priemer tekutého lúča sa zníži na mikrometrovú stupnicu. To otvorilo nový smer výskumu tekutých terahertzových vĺn.
V posledných rokoch sa objavili experimentálne správy v oblasti tekutých terahertzových vĺn, ale viac experimentálne pozorovaných javov sa líši od výsledkov iných médií. Napríklad: monochromatické laserové pole môže efektívne generovať kvapalné terahertzové vlny, zatiaľ čo plynné médium vyžaduje špecifický fázový rozdiel dvojfarebného lasera; výťažnosť kvapalnej terahertzovej vlny je úmerná energii hnacieho lasera, zatiaľ čo v plynnom prostredí je vzťah kvadrát; v určitom rozsahu výťažok kvapalnej terahertzovej vlny so zväčšením šírky impulzu lasera narastá, zatiaľ čo pre plynné médium je to naopak; v dvojfarebnom laserovom pohone, tekutá terahertzová vlna V tekutej terahertzovej vlne poháňanej dvojfarebným laserom sa objavuje nemodulovaný signál, zatiaľ čo v plynnom médiu nie je vidieť žiadny podobný signál. Teoretické štúdium zložitých a neusporiadaných systémov v kvapalnej fáze bolo vždy zložitým problémom a vyššie uvedené javy je ťažké vysvetliť existujúcimi teóriami. Výskumníci môžu vysvetliť iba niektoré makroskopické experimentálne výsledky pri vysokej intenzite svetla na základe predchádzajúcich modelov plazmy a efektov rozhrania.
Nedávno Bian Xuebin, výskumník z Inštitútu presných meraní vedy a technologických inovácií (IPMSI) Čínskej akadémie vied (CAS), a doktorand Li Zhengliang navrhli model posunového prúdu na generovanie tekutých terahertzových vĺn, ktorý môže systematicky vysvetliť sériu anomálií pozorovaných vo vyššie uvedených experimentoch. Fyzický obraz modelu mikroskopického mechanizmu je znázornený na obrázku: neusporiadaná štruktúra kvapaliny spôsobuje, že balík elektrónových vĺn je lokalizovaný, zatiaľ čo energia vonkajších elektrónov rôznych molekúl je posúvaná prostredím a vonkajšie elektróny rôznych molekúl pri pôsobení lasera so silným poľom prechádzajú skokom na generovanie posuvných prúdov v asymetrickom systéme. Energetický rozdiel týchto skokov je v oblasti terahertzovej energie, ktorá zase vyžaruje terahertzové vlny. Táto práca zároveň ukazuje, že kľúčovú úlohu hrá kvantový efekt atómového jadra a predpovedá, že terahertzové žiarenie môže študovať izotopový efekt kvapalín.
Vyššie uvedené výsledky sú ďalším teoretickým pokrokom tímu Xuebina Biana v oblasti výskumu ultrarýchlej dynamiky silného poľa v kvapalnej fáze, ktorý sleduje vysoko harmonický štatistický model vzostupu a poklesu. Súvisiace výsledky výskumu boli publikované v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) pod názvom Terahertzové žiarenie indukované posunovými prúdmi v kvapalinách. Výskumnú prácu podporili Národný kľúčový výskumný a vývojový program Číny, Čínska národná nadácia pre prírodné vedy a Program stabilnej podpory mladých tímov v oblastiach základného výskumu Čínskej akadémie vied.

Schematický diagram generovania tekutých terahertzových vĺn