Progressi del Precision Measurement Institute nello studio teorico dei meccanismi di generazione di onde Terahertz liquide

Le onde Terahertz sono preziose nelle applicazioni di comunicazione e imaging. L'interazione non lineare dei laser ultraveloci a campo forte con la materia è uno dei modi importanti per generare onde terahertz. Gli studi sperimentali e teorici relativi ai mezzi che generano terahertz come plasma, gas e cristalli sono relativamente ben studiati. Tuttavia, non è stato segnalato che l'acqua liquida, che è un mezzo assorbente molto forte per le onde terahertz, generi onde terahertz. Nel 2017, è stato riscontrato sperimentalmente che le onde terahertz sono più irradiate che assorbite quando lo spessore del film liquido o il diametro del fascio liquido è ridotto alla scala micrometrica. Ciò ha aperto una nuova direzione nella ricerca sulle onde terahertz liquide.
Negli ultimi anni ci sono stati rapporti sperimentali nel campo delle onde terahertz liquide, ma molti fenomeni osservati sperimentalmente sono diversi dai risultati di altri mezzi. Ad esempio: un campo laser monocromatico può generare efficacemente onde terahertz liquide, mentre il mezzo gassoso richiede una specifica differenza di fase del laser bicolore; la resa dell'onda terahertz liquida è proporzionale all'energia del laser pilota, mentre nel mezzo gassoso è un rapporto quadratico; in un certo intervallo l'onda terahertz del liquido produce con l'aumentare dell'ampiezza dell'impulso del laser, mentre nel mezzo gassoso avviene il contrario; nell'azionamento del laser a due colori, l'onda terahertz liquida Un segnale non modulato appare nell'onda terahertz liquida guidata da un laser a due colori, mentre non si vede alcun segnale simile nel mezzo gassoso. Lo studio teorico dei sistemi in fase liquida complessi e disordinati è sempre stato un problema difficile, e i fenomeni sopra menzionati sono difficilmente spiegabili dalle teorie esistenti. I ricercatori possono solo spiegare alcuni risultati sperimentali macroscopici ad alta intensità luminosa sulla base di precedenti modelli di plasma e di effetti di interfaccia.
Recentemente, Bian Xuebin, ricercatore presso l’Istituto di scienza della misurazione di precisione e innovazione tecnologica (IPMSI) dell’Accademia cinese delle scienze (CAS), e Li Zhengliang, uno studente di dottorato, hanno proposto un modello di corrente di spostamento per la generazione di onde terahertz liquide, che può spiegare sistematicamente la serie di anomalie osservate negli esperimenti di cui sopra. L'immagine fisica del modello del meccanismo microscopico è mostrata in figura: la struttura disordinata del liquido rende localizzato il pacchetto d'onde degli elettroni, mentre l'energia degli elettroni esterni di diverse molecole viene spostata dall'ambiente, e gli elettroni esterni di diverse molecole sotto l'azione del laser a campo forte subiscono un salto per generare correnti di spostamento nel sistema asimmetrico. La differenza energetica di questi salti è nella regione energetica dei terahertz, che a sua volta irradia onde terahertz. Allo stesso tempo, questo lavoro mostra che l’effetto quantistico del nucleo atomico gioca un ruolo chiave e prevede che la radiazione terahertz possa studiare l’effetto isotopico dei liquidi.
I risultati di cui sopra rappresentano un altro progresso teorico del team di Xuebin Bian nel campo della ricerca sulla dinamica ultraveloce in campo forte e in fase liquida, seguendo il modello statistico di salita e discesa ad alta armonica. I relativi risultati della ricerca sono stati pubblicati negli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze degli Stati Uniti d'America (PNAS) con il titolo Radiazione Terahertz indotta da correnti di spostamento nei liquidi. Il lavoro di ricerca è stato sostenuto dal Programma nazionale di ricerca e sviluppo chiave della Cina, dalla Fondazione nazionale cinese per le scienze naturali e dal Programma per il supporto stabile dei giovani team nelle aree di ricerca di base dell’Accademia cinese delle scienze.

Diagramma schematico della generazione di onde terahertz liquide