L'equip de recerca de la SZTU descobreix un nou mecanisme de radiació coherent en polsos d'atosegons

Recentment, l'equip del professor Ruan Shuangchen i el professor Zhou Cangtao de la Universitat Tecnològica de Shenzhen (SZUT) ha proposat per primera vegada al món un esquema físic per generar polsos d'atosegons i xoc òptic coherent de subcicle a partir d'un camp de cua de plasma superluminal, i va explicar un nou mecanisme per generar radiació coherent que està dominada per l'acció col·lectiva dels electrons. Els resultats de la investigació es van publicar a la principal revista internacional de física Physical Review Letters sota el títol de "Coherent subcycle optical shock from a superluminal plasma wake". El professor assistent Hao Peng és el primer autor de l'article, i els professors Taiwu Huang, Cangtao Zhou i Shuangshen Ruan són els coautors corresponents.
La radiació d'ones electromagnètiques es pot veure a tot arreu de les nostres vides i està estretament relacionada amb les nostres vides, com ara la llum solar i les llums a la banda visible, els telèfons mòbils i els senyals WIFI a la banda de microones, les fonts de llum de fotolitografia a la banda ultraviolada extrema i els raigs X. a la banda d'alta energia. No obstant això, la major part de la llum a la natura és llum no coherent, que té freqüències complexes, apuntació espacial molt àmplia i fases caòtiques. La primera font de llum coherent, el làser, es va inventar a la dècada de 1960. Per a la llum coherent, a causa de la coherència dels components espectrals que conté, la diferència de fase de cada component és fixa, de manera que és possible realitzar la modulació i la compressió dels polsos de llum, per tal d'obtenir una font de llum coherent amb una llum molt curta. durada i potència pic molt alta.
Fonts de llum coherents com els làsers es van fer omnipresents poc després de la seva introducció, i es poden trobar aplicacions importants dels làsers a tot arreu, des de la investigació científica, la indústria i l'exèrcit fins a les comunicacions, l'entreteniment i les arts, així com a la nostra vida quotidiana. El desenvolupament de la tecnologia làser i les seves aplicacions també han donat lloc a una sèrie de premis Nobel, com el Premi Nobel de Física 2018 atorgat a Gerard Mourou i a la professora Donna Strickland per la invenció de l'amplificació làser de pols xirpat, que ha augmentat el làser. brillantor (densitat de potència) en uns 10 ordres de magnitud, superant la brillantor de la llum solar en uns 21 ordres de magnitud; mentre que el Premi Nobel de Física d'enguany es va atorgar a Pierre Agostini, Ferenc Krausz i la professora Anne L'Huillier, inventors dels polsos de llum d'atosegons, que són prou curts per capturar imatges de l'evolució interna dels àtoms i les molècules.

(a) Font de llum a la natura; (b) Font de llum coherent creada per humans - làser; (c) Excitació acústica causada per un avió supersònic; (d) Diagrama esquemàtic del principi de generació d'excitació per font de radiació.
La clau per a la generació de fonts de llum coherents és el bloqueig de fase, és a dir, perquè la fase entre cada partícula microscòpica implicada en la radiació sigui la mateixa, la creació del làser es basa en el principi de radiació estimulada proposat per Einstein. , és a dir, el nombre de partícules d'àtoms invertits s'alliberarà amb la fase de foton incident consistent amb els fotons incidents dels fotons; i làser d'electrons lliures, aquest dispositiu megacientífic es basa en la microagregació de l'efecte del feix d'electrons, que garanteix que el moviment de cada electró estigui en la mateixa fase. A la natura, existeix un altre mecanisme de bloqueig de fase per a les ones: les excitacions. Per exemple, les excitacions acústiques es generen quan un avió supersònic viatja més ràpid que la velocitat del so a l'aire, perquè el front de fase al llarg d'un angle determinat (l'angle de Cherenkov) es bloqueja quan les ones sonores generades pel cap de l'avió en diferents moments. estesa cap a fora en un front d'ona esfèric. De la mateixa manera, si es permet que una font de radiació superi la velocitat de la llum, es pot produir un nou tipus de radiació d'ones electromagnètiques coherents, l'excitació òptica. Tanmateix, és impossible fer que la mateixa font de radiació superi la velocitat de la llum en el buit, perquè la relativitat especial ens diu que el moviment de qualsevol objecte no pot “superar la velocitat de la llum”.
En els darrers anys, l'equip d'investigació de la Universitat Tecnològica de Shenzhen està impulsant enèrgicament la construcció de la primera plataforma experimental integral làser súper intens a gran escala (dispositiu làser de nanosegon-picosegon-femtosegon d'alta potència): sèrie de dispositius Chenguang a les universitats nacionals. . Una direcció de recerca important d'aquesta plataforma és desenvolupar una nova font de llum de radiació coherent i dur a terme investigacions d'aplicacions relacionades. Recentment, l'equip ha proposat un nou mecanisme de radiació coherent basat en l'acció col·lectiva dels electrons a partir del principi bàsic de la radiació coherent: mitjançant la interacció d'un feix d'electrons relativista amb un plasma amb un gradient de densitat ascendent que varia lentament, un vacúol de plasma de forma gradual. es pot estimular la mida decreixent (la mida del vacúol està negativament correlacionada amb la densitat del plasma), i els electrons del plasma a diferents posicions reboten al final del vacúol i irradien al final del vacúol, a causa de la mida longitudinal de el vacúol. Els electrons del plasma en diferents llocs reboten a l'extrem de la bombolla i s'irradien allà. A mesura que la mida longitudinal de la bombolla disminueix gradualment, la velocitat col·lectiva de la seva cua és més gran que la velocitat del feix d'electrons conductor (a prop de la velocitat de la llum), que aconsegueix la condició de "superluminal", i per tant les radiacions de la els diferents electrons generats aquí es superposen de manera coherent per formar excitacions òptiques al llarg de l'angle de Cherenkov. La font de llum de radiació té propietats molt úniques: no només l'amplada del pols és extremadament curta, arribant a l'escala d'atosegons, i la intensitat és molt alta, proporcional al quadrat de la distància de propagació, sinó que també té una excel·lent directivitat espacial, una dispersió angular molt petita. , fase d'embolcall de la portadora estable i rang de sintonització de freqüència ultra ampli.

(a) Diagrama esquemàtic d'un feix d'electrons relativista que colpeja un plasma i genera una ona d'excitació òptica a l'extrem de la cua d'un vacúol; ( b ) Radiació d'ona d'excitació òptica a l'extrem de la cua d'un vacúol superlluminós tal com es veu en una gran simulació numèrica de supercomputació.
El treball anterior il·lustra un nou mecanisme de radiació coherent impulsat per un feix d'electrons, que trenca la limitació de la teoria clàssica de la radiació coherent que requereix que la mida del feix d'electrons sigui molt més petita que la longitud d'ona de radiació. Mentrestant, aquest treball proporciona un esquema experimental físic senzill i factible per a la generació de fonts de llum coherent, que s'espera que generi polsos làser subperiòdics attosegons d'alta qualitat a la mida de la taula, que tindran un impacte important en l'espectroscòpia d'atosegons de teixits i cèl·lules vives. manipulació i diagnòstic molecular ultraràpid, metrologia electrònica de dinàmica d'atosegons i processament de senyals d'ultraalta freqüència de la freqüència de batec-hertz i altres investigacions aplicades. A més, aquest treball ha desenvolupat el primer programa de computació paral·lel per a la radiació coherent en el domini del temps de camp llunyà a la Xina, ha resolt els problemes de coll d'ampolla de la dispersió numèrica i el soroll de transformació de camp proper i llunyà en els mètodes de simulació tradicionals i s'ha adonat molt de temps. -La simulació autoconsistent resolta a l'espai de la radiació d'alta freqüència, a més de proporcionar un nou mètode tecnològic per al desenvolupament de noves fonts de radiació coherents.
Aquest resultat és un altre avenç important en la generació de radiació coherent impulsada per feix d'electrons realitzada per l'equip d'investigació de física d'alta densitat d'energia de la Universitat Tecnològica de Shenzhen, després de les publicacions de desembre de 2021 i maig de 2023 a Physical Review Letters. Val la pena esmentar que els científics portuguesos van proposar un mecanisme físic i un esquema similars gairebé simultàniament amb l'equip, i el treball relacionat va ser acceptat per Nature Photonics, una revista de Nature.
Aquesta investigació va ser finançada i recolzada pel Programa Clau d'Investigació i Desenvolupament del Ministeri de Ciència i Tecnologia de la Xina, la National Natural Science Foundation of China (NSFC), el Shenzhen Key Laboratory Establishment Program i el Shenzhen Outstanding Youth Fund Program. El treball de simulació es va fer a la plataforma de simulació de supercomputació de gairebé un bilió de vegades/segon del Centre d'Investigació Tecnològica de Proves de Materials Avançats de la Universitat Tecnològica de Shenzhen.