Il gruppo di ricerca SZTU scopre un nuovo meccanismo di radiazione coerente negli impulsi ad attosecondi

Recentemente, il team del Prof. Ruan Shuangchen e del Prof. Zhou Cangtao dell'Università della Tecnologia di Shenzhen (SZUT) ha proposto per la prima volta al mondo uno schema fisico per generare impulsi ad attosecondi e shock ottico coerente sottociclo da un campo di coda di plasma superluminale, e ha spiegato un nuovo meccanismo per generare radiazione coerente che è dominata dall'azione collettiva degli elettroni. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista internazionale di fisica Physical Review Letters con il titolo "Shock ottico del sottociclo coerente da una scia di plasma superluminale". Il professore assistente Hao Peng è il primo autore dell'articolo, mentre i professori Taiwu Huang, Cangtao Zhou e Shuangshen Ruan sono gli autori corrispondenti.
La radiazione delle onde elettromagnetiche può essere vista ovunque nella nostra vita ed è strettamente correlata alla nostra vita, come la luce solare e le luci nella banda visibile, i telefoni cellulari e i segnali Wi-Fi nella banda delle microonde, le sorgenti luminose della fotolitografia nella banda dell'ultravioletto estremo e i raggi X. nella banda delle alte energie. Tuttavia, la maggior parte della luce in natura è luce non coerente, che presenta frequenze complesse, puntamenti spaziali molto ampi e fasi caotiche. La prima sorgente luminosa coerente, il laser, fu inventata negli anni ’60. Per la luce coerente, a causa della coerenza delle componenti spettrali in essa contenute, la differenza di fase di ciascuna componente è fissa, per cui è possibile realizzare la modulazione e compressione degli impulsi luminosi, in modo da ottenere una sorgente luminosa coerente con una luce molto breve durata e potenza di picco molto elevata.
Sorgenti luminose coerenti come i laser sono diventate onnipresenti subito dopo la loro introduzione e importanti applicazioni dei laser possono essere trovate ovunque, dalla ricerca scientifica, all’industria e all’esercito, alle comunicazioni, all’intrattenimento e alle arti, nonché nella nostra vita quotidiana. Lo sviluppo della tecnologia laser e delle sue applicazioni ha dato origine anche a numerosi premi Nobel, come il Premio Nobel per la fisica 2018 assegnato a Gerard Mourou e alla Prof.ssa Donna Strickland per l'invenzione dell'amplificazione laser a impulsi chireggiati, che ha aumentato il laser luminosità (densità di potenza) di circa 10 ordini di grandezza, superiore alla luminosità della luce solare di circa 21 ordini di grandezza; mentre il Premio Nobel per la fisica di quest'anno è stato assegnato a Pierre Agostini, Ferenc Krausz e la professoressa Anne L'Huillier, inventori degli impulsi di luce ad attosecondi, sufficientemente brevi da catturare immagini dell'evoluzione interna di atomi e molecole.

(a) Sorgente luminosa in natura; (b) Sorgente luminosa coerente creata dall'uomo - laser; (c) Eccitazione acustica causata da aereo supersonico; (d) Diagramma schematico del principio di generazione dell'eccitazione mediante sorgente di radiazioni.
La chiave per la generazione di sorgenti luminose coerenti è l'aggancio di fase, cioè in modo che la fase tra ogni particella microscopica coinvolta nella radiazione sia la stessa, la creazione del laser si basa sul principio della radiazione stimolata proposto da Einstein , cioè, il numero di particelle di atomi invertiti verrà rilasciato con la fase del fotone incidente coerente con i fotoni incidenti dei fotoni; e laser a elettroni liberi, un dispositivo megascientifico si basa sulla microaggregazione dell'effetto fascio di elettroni, che garantisce che il movimento di ciascun elettrone avvenga nella stessa fase. In natura esiste un altro meccanismo di bloccaggio di fase delle onde: le eccitazioni. Ad esempio, le eccitazioni acustiche vengono generate quando un aereo supersonico viaggia più velocemente della velocità del suono nell'aria, perché il fronte di fase lungo un particolare angolo (l'angolo Cherenkov) è bloccato in fase quando le onde sonore generate dalla testa dell'aereo in momenti diversi diffondersi verso l'esterno in un fronte d'onda sferico. Allo stesso modo, se si consente a una sorgente di radiazione di superare la velocità della luce, è possibile produrre un nuovo tipo di radiazione di onde elettromagnetiche coerenti, l’eccitazione ottica. Tuttavia, è impossibile far sì che la stessa sorgente di radiazione superi la velocità della luce nel vuoto, perché la relatività ristretta ci dice che il moto di qualsiasi oggetto non può “superare la velocità della luce”.
Negli ultimi anni, il gruppo di ricerca dell'Università della Tecnologia di Shenzhen sta promuovendo vigorosamente la costruzione della prima piattaforma sperimentale completa su larga scala con laser super intenso (dispositivo laser ad alta potenza nanosecondo-picosecondo-femtosecondo) - serie di dispositivi Chenguang nelle università nazionali . Un'importante direzione di ricerca di questa piattaforma è quella di sviluppare una nuova sorgente luminosa a radiazione coerente e svolgere ricerche applicative correlate. Recentemente, il team ha proposto un nuovo meccanismo di radiazione coerente basato sull'azione collettiva degli elettroni dal principio base della radiazione coerente: attraverso l'interazione di un fascio di elettroni relativistico con un plasma con un gradiente di densità verso l'alto che varia lentamente, un vacuolo plasmatico di graduale può essere stimolata una dimensione decrescente (la dimensione del vacuolo è negativamente correlata alla densità del plasma), e gli elettroni del plasma in posizioni diverse rimbalzano all'estremità del vacuolo e si irradiano all'estremità del vacuolo, a causa della dimensione longitudinale del plasma. il vacuolo. Gli elettroni del plasma in punti diversi rimbalzano sull'estremità della bolla e si irradiano lì. Man mano che la dimensione longitudinale della bolla diminuisce gradualmente, la velocità collettiva della sua coda è maggiore della velocità del fascio di elettroni conduttori (vicino alla velocità della luce), che raggiunge la condizione di "superluminale", e quindi le radiazioni della bolla diversi elettroni qui generati sono coerentemente sovrapposti per formare eccitazioni ottiche lungo l'angolo Cherenkov. La sorgente luminosa a radiazione ha proprietà davvero uniche: non solo l'ampiezza dell'impulso è estremamente breve, raggiungendo la scala degli attosecondi, e l'intensità è molto elevata, proporzionale al quadrato della distanza di propagazione, ma ha anche un'eccellente direttività spaziale, una dispersione angolare molto piccola , fase di inviluppo della portante stabile e gamma di sintonizzazione della frequenza ultra ampia.

(a) Diagramma schematico di un fascio di elettroni relativistico che colpisce un plasma e genera un'onda di eccitazione ottica all'estremità della coda di un vacuolo; (b) Radiazione dell'onda di eccitazione ottica all'estremità della coda di un vacuolo superluminoso vista in una grande simulazione numerica di supercalcolo.
Il lavoro di cui sopra illustra un nuovo meccanismo di radiazione coerente guidato da un fascio di elettroni, che rompe la limitazione della teoria classica della radiazione coerente che richiede che la dimensione del fascio di elettroni sia molto più piccola della lunghezza d’onda della radiazione. Nel frattempo, questo lavoro fornisce uno schema sperimentale fisico semplice e fattibile per la generazione di sorgenti luminose coerenti, che si prevede genererà impulsi laser subperiodici ad attosecondi di alta qualità delle dimensioni di un tavolo, che avranno un impatto importante sulla spettroscopia ad attosecondi di tessuti e cellule viventi, manipolazione e diagnosi molecolare ultraveloce, metrologia elettronica della dinamica degli attosecondi ed elaborazione del segnale ad altissima frequenza della frequenza del battito-hertz e altre ricerche applicate. Inoltre, questo lavoro ha sviluppato il primo programma di calcolo parallelo per la radiazione coerente nel dominio del tempo in campo lontano in Cina, ha risolto i problemi del collo di bottiglia della dispersione numerica e del rumore di trasformazione del campo vicino e lontano nei metodi di simulazione tradizionali e ha realizzato tempi elevati -simulazione auto-coerente risolta nello spazio delle radiazioni ad alta frequenza, oltre a fornire un nuovo metodo tecnologico per lo sviluppo di nuove sorgenti di radiazioni coerenti.
Questo risultato rappresenta un altro importante passo avanti nella generazione di radiazioni coerenti guidate da fasci di elettroni ottenuto dal gruppo di ricerca di fisica ad alta densità di energia dell’Università di Tecnologia di Shenzhen, in seguito alle pubblicazioni di dicembre 2021 e maggio 2023 su Physical Review Letters. Vale la pena ricordare che gli scienziati portoghesi hanno proposto un meccanismo fisico e uno schema simili quasi contemporaneamente al team, e il lavoro correlato è stato accettato da Nature Photonics, una rivista sotto Nature.
Questa ricerca è stata finanziata e sostenuta dal Programma chiave di ricerca e sviluppo del Ministero della scienza e della tecnologia cinese, dalla Fondazione nazionale cinese per le scienze naturali (NSFC), dal Programma di stabilimento del laboratorio chiave di Shenzhen e dal Programma di fondi eccezionali per la gioventù di Shenzhen. Il lavoro di simulazione è stato svolto sulla piattaforma di simulazione di supercalcolo da quasi trilioni di volte/secondo del Centro di ricerca sulla tecnologia di test dei materiali avanzati dell’Università della Tecnologia di Shenzhen.