Een onderzoeksteam van de ITMO University en de University of Rochester (VS) heeft onderzoek gedaan naar de vorming van terahertzstraling in vloeistoffen. Eerder, het genereren van dergelijke straling in een vloeibaar medium werd onmogelijk geacht vanwege de hoge absorptie. Echter, in hun nieuwe onderzoek, de wetenschappers beschreven de fysieke aard van dit fenomeen en toonden aan dat vloeibare stralingsbronnen even effectief kunnen zijn als traditionele. De resultaten zijn gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

Terahertz elektromagnetische straling kan gemakkelijk door de meeste materialen gaan, behalve metalen en water. Vandaag, het wordt veel gebruikt in beveiligingssystemen die worden gebruikt om illegale drugs en wapens op te sporen, evenals voor biomedisch onderzoek. Het meeste moderne onderzoek met terahertz-straling richt zich op het vinden van nieuwe, stabieler, krachtige en efficiënte bronnen.

De meest voorkomende bronnen van terahertz-straling zijn vaste materialen. In aanvulling, er zijn bronnen gebaseerd op femtoseconde laserfilamentatie in lucht en gassen. In dit geval, een krachtige laserstraal creëert een plasma in het gasmedium door het te ioniseren, zodat vrije elektronen elektromagnetische terahertz-straling genereren. Hoewel hetzelfde doen in een vloeibaar medium tot nu toe onmogelijk werd geacht vanwege de hoge absorptie, een internationaal onderzoeksteam van de ITMO University en de University of Rochester toonde het tegenovergestelde aan. Hun nieuwe studie onthulde dat vloeistof, in feite, heeft een aantal voordelen ten opzichte van andere bronnen zoals gassen.

"Tot onze collega, Prof. Xi-Cheng Zhang, terahertz-straling in een vloeistof had kunnen detecteren, het werd voor onmogelijk gehouden. Maar we hebben aangetoond dat op het gebied van efficiëntie, vloeibare bronnen kunnen bronnen in vaste toestand benaderen, die nu als de standaard worden beschouwd. Bovendien, vloeistoffen zijn veel gemakkelijker te verkrijgen dan kristallen. Ze zijn ook bestand tegen hoge pompenergie, waardoor een beter rendement kan worden verkregen, " legt Anton Tsypkin uit, Hoofd van het Laboratorium voor Femtoseconde Optica en Femtotechnologie aan de ITMO University.

Gebruikelijk, straling wordt gegenereerd door het vrijkomen van vrije geëxciteerde elektronen tijdens filamentatie. Hoe meer elektronen kunnen worden aangeslagen of geïoniseerd, hoe sterker de output terahertz straling zal zijn. Het aantal geëxciteerde elektronen van één molecuul hangt af van de energie die wordt besteed aan de excitatie of het "pompen" van het medium. Het verschil tussen de benodigde "pomp"-energieën in gas en vloeistof is klein. Tegelijkertijd, de dichtheid van moleculen in een vloeistof is veel hoger dan in een gas, zodat een vergelijkbare pompenergie het mogelijk maakt om meer elektronen te exciteren en de straling sterker te maken.

Wetenschappers onderzochten de richting van terahertz-straling in de vloeistof. Op twee universiteiten werden parallel experimenten uitgevoerd om fouten uit te sluiten. Vervolgens, de wetenschappers verifieerden de onafhankelijk verkregen resultaten en werkten samen aan een theoretisch model om ze te verklaren. Als resultaat, zij slaagden erin de stralingspatronen van terahertzstraling in een vloeistof en de afhankelijkheid van de hoek waaronder de vloeistof botst met de pompstraling op te tekenen en fysiek te onderbouwen. Volgens de onderzoekers is deze resultaten zullen in toekomstig werk worden gebruikt.

"Een belangrijk nadeel van vloeistof is de grote absorptie. We zijn van plan dit probleem op te lossen door het type vloeistof te optimaliseren, de vorm van de jet, het pompvermogen en een aantal andere parameters. We willen experimenteel de optimale parameters vinden voor de stralingsgeneratie in verschillende vloeistoffen, en om op basis van deze gegevens een theoretisch model te ontwikkelen. Het kan worden gebruikt om een ​​prototype apparaat te maken waarmee we verschillende soorten terahertz-straling uit vloeistoffen kunnen produceren, " zegt Xi-Cheng Zhang, co-directeur van het International Institute Photonics and Optical Informatics aan de ITMO University, en een onderzoeker aan de Universiteit van Rochester.