De studie, gepubliceerd in Light:Science &Applications , bespreekt terahertz-aangedreven tunnelionisatie, die de weg zal effenen voor extreme niet-lineaire en relativistische terahertz-fysica in plasma's.

Gelegen tussen de microgolf- en infraroodgebieden van het elektromagnetische spectrum, wordt de terahertz-kloof (1 THz =10¹² Hz) snel gedicht door de ontwikkeling van nieuwe terahertz-bronnen en detectoren, met veelbelovende toepassingen in spectroscopie, beeldvorming, detectie en communicatie.

Deze toepassingen profiteren enorm van terahertz-bronnen die straling met hoge energie of een hoog gemiddeld vermogen leveren. Aan de andere kant zijn terahertzbronnen met hoge intensiteit of met een sterk veld essentieel voor het observeren of exploiteren van nieuwe niet-lineaire terahertz-materie-interacties, waarbij de elektrische en/of magnetische veldsterkten een sleutelrol spelen.

Het team van wetenschappers, geleid door Dr. Chul Kang van het Advanced Photonics Research Institute, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), Korea, en professor Ki-Yong Kim van het Institute for Research in Electronics and Applied Physics, University of Maryland, College Park, Maryland, VS, heeft 's werelds sterkste terahertzvelden gecreëerd van 260 megavolt per centimeter (MV/cm) of een equivalente piekintensiteit van 9 x 10¹³ watt per vierkante centimeter (W/cm²).

Deze piekveldsterkte of -intensiteit is de hoogste waarde die tot nu toe is bereikt bij terahertz-frequenties (0,1~20 THz), inclusief alle soorten terahertz-bronnen die gebruik maken van lasers, vrije-elektronenlasers, versnellers en vacuümelektronica.

Om hoogenergetische terahertz-pulsen te produceren, gebruikten de wetenschappers een Ti:saffier-laser van 150 terawatt-klasse om optische energie om te zetten in terahertz-straling (zogenaamde optische rectificatie) in lithiumniobaat (LiNbO₃), een kristal dat sterke niet-lineariteiten en hoge schadedrempels. In het bijzonder gebruikten ze een lithiumniobaatwafel met een grote diameter (75 mm), ook gedoteerd met 5% magnesiumoxide (MgO), om opschaalbare terahertzstraling te produceren.

Voor een efficiënte conversie van optische naar terahertzstraling moet rekening worden gehouden met een andere belangrijke factor:fase- (of snelheids)aanpassing. De wetenschappers legden uit:"Als de optische laserpuls die terahertzstraling genereert zich met dezelfde snelheid voortplant als de gegenereerde terahertz-golven in lithiumniobaat, dan kan de geproduceerde terahertz-energie continu groeien met de voortplantingsafstand.

"Conventioneel wordt een gekantelde pulsfrontmethode gebruikt om te voldoen aan faseaanpassing in een prismavormig lithiumniobaat. Deze methode produceert echter voornamelijk laagfrequente terahertzstraling, doorgaans met een piek van minder dan 1 THz, wat uiteraard leidt tot relatief grote focale straling. spotgroottes (~mm), waardoor de maximale terahertz-veldsterkte bij de focus wordt beperkt."

Het team heeft eerder een nieuwe fase-matchingconditie gevonden in lithiumniobaat, waarvoor geen frontale kanteling van de puls nodig is. Ze merkten op:"De snelheid van terahertz-golven is over het algemeen frequentieafhankelijk en varieert zo groot tussen twee fononresonantiefrequenties dat er een frequentie bestaat waarbij zowel terahertz- als laserpulsen zich met dezelfde snelheid voortplanten.

"Dit gebeurt bij ongeveer 15 THz voor Ti:saffierlaserpulsen met een centrale golflengte van 800 nm. Deze faseaanpassing maakte het mogelijk om terahertz-golven op millijoule-niveau te produceren. Bovendien kan de resulterende 15 THz-straling strak worden gefocusseerd, wat mogelijk kan leiden tot sterke elektromagnetische velden in het brandpunt."

De wetenschappers hebben zorgvuldig de maximale elektrische en magnetische veldsterkten bepaald, 260 ± 20 MV/cm en 87 ± 7 T in het brandpunt, door afzonderlijk de terahertz-energie, de brandpuntsvlekgrootte en de pulsduur te meten.

"Zo'n intense terahertz-puls kan, wanneer gefocust op een gasvormig of vast medium, de samenstellende atomen of moleculen ioniseren en het medium in een plasma omzetten. Als bewijs van het principe hebben we terahertz-aangedreven ionisatie van verschillende vaste doelen aangetoond, waaronder metalen, halfgeleiders en polymeren", benadrukten ze.

"Onze terahertzbron maakt gebruik van een planair lithiumniobaatkristal en is veelbelovend voor het nog verder opschalen van de uitgangsenergie en veldsterkte. Dit kan supersterke (~GV/cm) terahertzvelden genereren", voegde ze eraan toe.

De wetenschappers geloven dat hun onderzoek nieuwe mogelijkheden zal openen om niet alleen niet-lineaire effecten in door terahertz geproduceerde plasma's te bestuderen, maar ook door terahertz aangedreven ponderomotorische krachten te gebruiken voor verschillende toepassingen, waaronder multi-keV terahertz harmonische generatie en zelfs het bestuderen van relativistische effecten door terahertz-versnelde elektronen .