Xi-Cheng Zhang har arbetat i nästan ett decennium för att lösa ett vetenskapligt pussel som många inom forskarvärlden trodde var omöjligt:​​att producera terahertzvågor – en form av elektromagnetisk strålning i det avlägsna infraröda frekvensområdet – från flytande vatten.

Nu, som rapporterats i en tidning publicerad i Bokstäver i tillämpad fysik , forskare vid University of Rochester har "gjort det omöjliga, möjlig, säger Zhang, M. Parker Givens professor i optik. "Att ta reda på hur man genererar terahertzvågor från flytande vatten är ett grundläggande genombrott eftersom vatten är ett så viktigt element i människokroppen och på jorden."

Terahertz-vågor har väckt ökad uppmärksamhet nyligen på grund av deras förmåga att oförstörande passera genom fasta föremål, inklusive de gjorda av tyg, papper, trä, plast, och keramik, och producera bilder av föremålens interiör. Dessutom, energin hos en terahertzfoton är svagare än en röntgenfoton. Till skillnad från röntgen, terahertzvågor är icke-joniserande – de har inte tillräckligt med energi för att ta bort en elektron från en atom – så de har inte samma skadliga effekter på mänsklig vävnad och DNA.

På grund av dessa förmågor, terahertzvågor har unika tillämpningar inom bildbehandling och spektroskopi – allt från att upptäcka bomber i misstänkta förpackningar, att identifiera väggmålningar gömda under färgskikt, för att upptäcka karies.

"Terahertz-vågor har en förmåga att se genom kläder, det är därför du har dessa sub-terahertz kroppsskannrar på flygplatser, " säger Zhang. "Dessa vågor kan hjälpa till att identifiera om ett föremål är explosivt, kemisk, eller biologiska, även om de inte kan säga exakt vad föremålet är."

Zhangs forskargrupp använder lasrar för att generera terahertz-pulser via interaktion med ett mål. I detta fall, målet är en extremt tunn film av vatten – ungefär 200 mikron eller ungefär tjockleken på två pappersbitar – skapad med vatten suspenderat av ytspänning mellan två aluminiumtrådar. Forskare fokuserar en laser på vattenfilmen, som fungerar som en sändare för terahertzstrålningen.

Tidigare forskare har genererat terahertzvågor från mål av solida kristaller, metaller, luftplasma, och vattenånga, men, tills nu, flytande vatten har visat sig svårfångat.

"Vatten ansågs vara terahertzvågornas fiende på grund av vattnets starka absorption, " säger Zhang. "Vi försökte alltid undvika vatten, men det är en förvånansvärt effektiv terahertzkälla."

Faktiskt, när forskare mätte terahertzvågorna som genererades av vattnet, de fann att de var 1,8 gånger starkare än de terahertzvågor som genererades från luftplasma under jämförbara experimentella förhållanden.

Eftersom vatten är en så stark absorbator, dock, många människor i forskarvärlden trodde att det skulle vara omöjligt att använda vatten som mål. Zhang själv har ägnat år åt att försöka en lösning, och han fann en likaså ståndaktig i Qi Jin, nu doktorand i optik vid Rochester, och huvudförfattaren på tidningen.

"Nästan alla trodde att vi inte skulle kunna få en signal från vatten, " säger Jin. "Först, Jag trodde inte det heller."

En av utmaningarna var att skapa en film av vatten som var tunn nog att terahertz-fotonerna som genererades av laserstrålen inte skulle absorberas, men tillräckligt tjock för att motstå laserns energi.

Tillsammans med Yiwen E, en postdoktor i Zhangs forskargrupp, Jin tillbringade månader med att optimera tjockleken på vattenfilmen och infallsvinkeln, intensitet, och pulslängd för laserstrålen.

"Vi ökade tjockleken på vattnet lite, och gradvis ökade lasern, och fortsatte bara att försöka tills vi kunde få det att fungera, " säger Jin. "Vatten är en av de rikaste resurserna på jorden, så det var verkligen viktigt för oss att kunna generera dessa vågor från vatten. Det var många gånger jag ville ge upp detta, men folk i labbet uppmuntrade mig hela tiden."

Zhang håller med:"Jag säger alltid till mina studenter och forskare här:om du provar något, du kanske inte får det resultat du ville ha. Men om du aldrig provar det, du kommer definitivt inte att få det."