Postępy Instytutu Pomiarów Precyzyjnych w badaniach teoretycznych mechanizmów wytwarzania ciekłych fal terahercowych

Fale terahercowe są cenne w zastosowaniach komunikacyjnych i obrazowych. Nieliniowa interakcja ultraszybkich laserów o silnym polu z materią jest jednym z ważnych sposobów generowania fal terahercowych. Badania eksperymentalne i teoretyczne związane z mediami wytwarzającymi teraherc, takimi jak plazma, gaz i kryształy, są stosunkowo dobrze zbadane. Nie odnotowano jednak, aby woda w stanie ciekłym, która jest bardzo silnym ośrodkiem pochłaniającym fale terahercowe, generowała fale terahercowe. W 2017 roku eksperymentalnie stwierdzono, że fale terahercowe są bardziej wypromieniowywane niż pochłaniane, gdy grubość warstwy cieczy lub średnica wiązki cieczy jest zredukowana do skali mikrometrycznej. Otworzyło to nowy kierunek w badaniach ciekłych fal terahercowych.
W ostatnich latach pojawiły się doniesienia eksperymentalne w dziedzinie ciekłych fal terahercowych, jednak więcej zjawisk obserwowanych eksperymentalnie różni się od wyników dla innych mediów. Na przykład: monochromatyczne pole laserowe może skutecznie generować ciekłe fale terahercowe, podczas gdy ośrodek gazowy wymaga określonej różnicy faz w przypadku lasera dwukolorowego; wydajność ciekłej fali terahercowej jest proporcjonalna do energii lasera napędowego, natomiast w ośrodku gazowym jest to zależność kwadratowa; w pewnym zakresie ciekłej fali terahercowej wydajność fali terahercowej wraz ze wzrostem szerokości impulsu lasera wzrasta, natomiast w ośrodku gazowym jest odwrotnie; w dwukolorowym napędzie laserowym ciekła fala terahercowa. W ciekłej fali terahercowej napędzanej przez dwukolorowy laser pojawia się niemodulowany sygnał, podczas gdy w ośrodku gazowym nie widać podobnego sygnału. Teoretyczne badanie złożonych i nieuporządkowanych układów fazy ciekłej zawsze było problemem trudnym, a powyższe zjawiska trudno wytłumaczyć istniejącymi teoriami. Naukowcy mogą jedynie wyjaśnić niektóre makroskopowe wyniki eksperymentów przy dużym natężeniu światła w oparciu o wcześniejsze modele plazmy i efekty interfejsu.
Niedawno Bian Xuebin, badacz z Instytutu Pomiarów Precyzyjnych i Innowacji Technologicznych (IPMSI) Chińskiej Akademii Nauk (CAS), i Li Zhengliang, doktorant, zaproponowali model prądu przemieszczenia do generowania ciekłych fal terahercowych, który potrafi w sposób systematyczny wyjaśnić szereg anomalii zaobserwowanych w powyższych eksperymentach. Fizyczny obraz modelu mechanizmu mikroskopowego pokazano na rysunku: nieuporządkowana struktura cieczy powoduje zlokalizowanie pakietu fal elektronów, podczas gdy energia zewnętrznych elektronów różnych cząsteczek jest przesuwana przez otoczenie, a zewnętrznych elektronów różnych cząsteczek pod działaniem lasera o silnym polu ulegają skokowi, generując prądy przemieszczenia w układzie asymetrycznym. Różnica energii tych skoków mieści się w obszarze energii terahercowej, który z kolei emituje fale terahercowe. Jednocześnie praca ta pokazuje, że kluczową rolę odgrywa efekt kwantowy jądra atomowego i przewiduje, że promieniowanie terahercowe może badać efekt izotopowy cieczy.
Powyższe wyniki stanowią kolejny teoretyczny postęp zespołu Xuebina Biana w dziedzinie badań ultraszybkiej dynamiki silnego pola w fazie ciekłej, w oparciu o statystyczny model wzrostu i spadku wysokich harmonicznych. Wyniki powiązanych badań opublikowano w Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) pod tytułem Promieniowanie terahercowe indukowane prądami przesunięcia w cieczach. Prace badawcze były wspierane przez Narodowy Program Badań i Rozwoju Chin, Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin oraz Program Stabilnego Wspierania Młodych Zespołów w Podstawowych Obszarach Badań Chińskiej Akademii Nauk.

Schematyczny diagram wytwarzania ciekłej fali terahercowej