Xi-Cheng Zhang heeft bijna tien jaar gewerkt aan het oplossen van een wetenschappelijke puzzel die velen in de onderzoeksgemeenschap voor onmogelijk hielden:het produceren van terahertz-golven - een vorm van elektromagnetische straling in het verre infrarood frequentiebereik - uit vloeibaar water.

Nutsvoorzieningen, zoals gerapporteerd in een paper gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , onderzoekers van de Universiteit van Rochester hebben "het onmogelijke gemaakt, mogelijk, " zegt Zhang, de M. Parker Givens hoogleraar optica. "Uitzoeken hoe terahertz-golven uit vloeibaar water kunnen worden gegenereerd, is een fundamentele doorbraak, omdat water zo'n belangrijk element is in het menselijk lichaam en op aarde."

Terahertz-golven hebben de laatste tijd meer aandacht getrokken vanwege hun vermogen om niet-destructief door vaste objecten te gaan, inclusief die van stof, papier, hout, plastic, en keramiek, en maak afbeeldingen van het interieur van de objecten. Aanvullend, de energie van een terahertz-foton is zwakker dan een röntgenfoton. In tegenstelling tot röntgenfoto's, terahertz-golven zijn niet-ioniserend - ze hebben niet genoeg energie om een ​​elektron uit een atoom te verwijderen - dus hebben ze niet dezelfde schadelijke effecten op menselijk weefsel en DNA.

Door deze capaciteiten terahertz-golven hebben unieke toepassingen in beeldvorming en spectroscopie - alles van het ontdekken van bommen in verdachte pakketten, om muurschilderingen te identificeren die verborgen zijn onder verflagen, tandbederf op te sporen.

"Terahertz-golven hebben het vermogen om door kleding heen te kijken, daarom heb je deze sub-terahertz lichaamsscanners op luchthavens, " zegt Zhang. "Deze golven kunnen helpen om te bepalen of een object explosief is, chemisch, of biologisch, zelfs als ze niet precies kunnen vertellen wat het object is."

De onderzoeksgroep van Zhang gebruikt lasers om terahertz-pulsen te genereren via interactie met een doelwit. In dit geval, het doelwit is een extreem dunne waterfilm - ongeveer 200 micron of ongeveer de dikte van twee stukjes papier - gemaakt met water dat door oppervlaktespanning tussen twee aluminiumdraden is gesuspendeerd. Onderzoekers richten een laser in de waterfilm, die fungeert als een zender voor de terahertz-stralingsoutput.

Eerdere onderzoekers hebben terahertz-golven gegenereerd van doelen van vaste kristallen, metalen, lucht plasma, en waterdamp, maar, tot nu, vloeibaar water is ongrijpbaar gebleken.

"Water werd beschouwd als de vijand van terahertz-golven vanwege de sterke absorptie van water, " zegt Zhang. "We hebben altijd geprobeerd om water te vermijden, maar het is een verrassend efficiënte terahertz-bron."

In feite, toen onderzoekers de terahertz-golven gemeten die door het water werden gegenereerd, ze ontdekten dat ze 1,8 keer sterker waren dan de terahertz-golven die werden gegenereerd uit luchtplasma onder vergelijkbare experimentele omstandigheden.

Omdat water zo'n sterk absorberend middel is, echter, veel mensen in de onderzoeksgemeenschap geloofden dat het onmogelijk zou zijn om water als doelwit te gebruiken. Zhang zelf heeft jarenlang geprobeerd een oplossing te vinden, en hij vond een eveneens getrouwe in Qi Jin, nu een PhD-kandidaat in de optica bij Rochester, en de hoofdauteur van het papier.

"Bijna iedereen dacht dat we geen signaal van water zouden kunnen krijgen, " Zegt Jin. "In het begin, Ik geloofde het ook niet."

Een van de uitdagingen was het creëren van een waterfilm die zo dun was dat de terahertz-fotonen die door de laserstraal worden gegenereerd niet zouden worden geabsorbeerd. maar dik genoeg om de energie van de laser te weerstaan.

Samen met Yiwen E, een postdoctoraal medewerker in de onderzoeksgroep van Zhang, Jin besteedde maanden aan het optimaliseren van de dikte van de waterfilm en de invalshoek, intensiteit, en pulsduur van de laserstraal.

"We hebben de dikte van het water een beetje vergroot, en geleidelijk de laser verhoogd, en bleven proberen totdat we het konden laten werken, " zegt Jin. "Water is een van de rijkste hulpbronnen op aarde, dus het was echt belangrijk voor ons om deze golven uit water te kunnen genereren. Ik heb dit vaak willen opgeven, maar de mensen in het lab bleven me aanmoedigen."

Zhang beaamt dit:"Ik zeg altijd tegen mijn studenten en onderzoekers hier:als je iets probeert, krijgt u misschien niet het gewenste resultaat. Maar als je het nooit probeert, je krijgt het zeker niet."