Terahertzvågor, kända som icke-joniserande strålning, kan förvandlas till joniserande strålning när tillräckligt många terahertzfotoner fokuseras i rum och tid. Ett team ledd av forskare i Korea och USA har skapat världens mest intensiva terahertzpulser som omedelbart kan jonisera atomer och molekyler och omvandla dem till plasma.
Studien, publicerad i Light:Science &Applications , diskuterar terahertz-driven tunneljonisering, som kommer att bana väg för extrem olinjär och relativistisk terahertz-fysik i plasma.
Terahertz (1 THz =10¹² Hz) mellan mikrovågs- och infraröda områden i det elektromagnetiska spektrumet stängs snabbt av genom utveckling av nya terahertzkällor och detektorer, med lovande tillämpningar inom spektroskopi, avbildning, avkänning och kommunikation.
Dessa applikationer drar stor nytta av terahertzkällor som levererar strålning med hög energi eller hög medeleffekt. Å andra sidan är terahertzkällor med hög intensitet eller starkt fält viktiga för att observera eller utnyttja nya icke-linjära terahertz-materia-interaktioner, där de elektriska och/eller magnetiska fältstyrkorna spelar en nyckelroll.
Teamet av forskare, ledd av Dr Chul Kang från Advanced Photonics Research Institute, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), Korea, och professor Ki-Yong Kim från Institutet för forskning i elektronik och tillämpad fysik, University of Maryland, College Park, Maryland, USA, har skapat världens starkaste terahertzfält på 260 megavolt per centimeter (MV/cm) eller motsvarande toppintensitet på 9 x 10¹³ watt per kvadratcentimeter (W/cm²).
Denna toppfältstyrka eller -intensitet är det högsta värdet som hittills uppnåtts vid terahertzfrekvenser (0,1~20 THz), inklusive alla typer av terahertzkällor som använder lasrar, frielektronlasrar, acceleratorer och vakuumelektronik.
För att producera högenergi-terahertz-pulser använde forskarna en 150-terawatt-klass Ti:safirlaser för att omvandla optisk energi till terahertzstrålning (så kallad optisk likriktning) i litiumniobat (LiNbO₃), en kristall som uppvisar starka olinjäriteter och höga skadetrösklar. I synnerhet använde de en litiumniobatskiva med stor diameter (75 mm), även dopad med 5 % magnesiumoxid (MgO), för att producera energiuppskalbar terahertzstrålning.
För effektiv omvandling från optisk till terahertzstrålning måste en annan viktig faktor beaktas:fas- (eller hastighets-) matchning. Forskarna förklarade, "Om den optiska laserpulsen som genererar terahertzstrålning fortplantar sig med samma hastighet som de genererade terahertzvågorna i litiumniobat, kan den utgående terahertzenergin kontinuerligt växa med utbredningsavståndet.
"Konventionellt används en lutad pulsfrontmetod för att tillfredsställa fasmatchning i ett prismaformat litiumniobat. Denna metod producerar dock mestadels lågfrekvent terahertzstrålning, vanligtvis med en topp på mindre än 1 THz, vilket naturligtvis leder till relativt stor fokal. fläckstorlekar (~mm), vilket begränsar den maximala terahertzfältstyrkan vid fokus."
Teamet hittade tidigare ett nytt fasmatchande tillstånd i litiumniobat, som inte kräver någon pulsfrontlutning. De noterade, "Hastigheten för terahertzvågor är i allmänhet frekvensberoende och varierar så stort mellan två fononresonansfrekvenser att det finns en frekvens vid vilken både terahertz- och laserpulser utbreder sig med samma hastighet.
"Detta inträffar vid cirka 15 THz för Ti:safir-laserpulser med en central våglängd på 800 nm. Denna fasmatchning gjorde det möjligt att producera terahertzvågor på millijoulenivå. Dessutom kan den resulterande 15-THz-strålningen fokuseras hårt, vilket potentiellt kan producera starka elektromagnetiska fält i fokus."
Forskarna har noggrant bestämt de maximala elektriska och magnetiska fältstyrkorna, 260 ± 20 MV/cm och 87 ± 7 T i fokus, genom att separat mäta terahertz-energin, brännpunktsstorleken och pulslängden.
"En sådan intensiv terahertz-puls, när den fokuseras i ett gasformigt eller fast medium, kan tunneljonisera de ingående atomerna eller molekylerna, och omvandla mediet till ett plasma. Som ett principbevis har vi visat terahertz-driven jonisering av olika fasta mål, inklusive metaller, halvledare och polymerer", betonade de.
"Vår terahertzkälla använder en plan litiumniobatkristall och är lovande för att skala upp utgående energi och fältstyrka ytterligare. Detta kan generera superstarka (~GV/cm) terahertzfält", tillade de.
Forskarna tror att deras forskning kommer att öppna upp nya möjligheter att inte bara studera icke-linjära effekter i terahertz-producerade plasma utan också använda terahertz-drivna ponderomotiva krafter för olika tillämpningar inklusive multi-keV terahertz harmonisk generering och till och med studera relativistiska effekter av terahertz-accelererade elektroner .
