Институт прецизионных измерений продвинулся в теоретическом исследовании механизмов генерации жидкостных терагерцовых волн

Терагерцовые волны ценны в приложениях связи и визуализации. Нелинейное взаимодействие сверхбыстрых лазеров сильного поля с веществом является одним из важных способов генерации терагерцовых волн. Сравнительно хорошо изучены экспериментальные и теоретические исследования, связанные с генерирующими терагерцевыми средами, такими как плазма, газ и кристаллы. Однако не сообщалось, что жидкая вода, которая является очень сильной поглощающей средой для терагерцовых волн, генерирует терагерцовые волны. В 2017 году экспериментально было обнаружено, что терагерцовые волны больше излучаются, чем поглощаются, когда толщина пленки жидкости или диаметр луча жидкости снижается до микрометрового масштаба. Это открыло новое направление в исследованиях жидких терагерцовых волн.
В последние годы появились экспериментальные сообщения в области жидких терагерцовых волн, но многие наблюдаемые экспериментально явления отличаются от результатов, полученных в других средах. Например: монохроматическое лазерное поле может эффективно генерировать жидкостные терагерцовые волны, тогда как газовая среда требует определенной разности фаз двухцветного лазера; выход жидкой терагерцовой волны пропорционален энергии возбуждающего лазера, тогда как в газовой среде имеет квадратичную зависимость; в определенном диапазоне для жидкости выход терагерцовой волны с увеличением длительности импульса лазера увеличивается, а для газовой среды - наоборот; в двухцветном лазерном приводе - жидкостная терагерцовая волна. В жидкостной терагерцовой волне, возбуждаемой двухцветным лазером, появляется немодулированный сигнал, в газовой среде аналогичный сигнал не наблюдается. Теоретическое исследование сложных и неупорядоченных жидкофазных систем всегда было сложной задачей, и указанные явления трудно объяснить существующими теориями. Исследователи могут объяснить лишь некоторые макроскопические экспериментальные результаты при высокой интенсивности света, основываясь на предыдущих моделях плазмы и интерфейсных эффектах.
Недавно Бянь Сюэбин, исследователь из Института прецизионных измерений и технологических инноваций (IPMSI) Китайской академии наук (CAS), и Ли Чжэнлян, докторант, предложили модель тока смещения для генерации жидких терагерцовых волн, которая может систематически объяснить ряд аномалий, наблюдавшихся в приведенных выше экспериментах. Физический образ модели микроскопического механизма представлен на рисунке: неупорядоченная структура жидкости делает электронный волновой пакет локализованным, при этом энергия внешних электронов разных молекул смещается средой, а внешние электроны разных молекул под действием сильного лазера происходят скачки, генерирующие токи смещения в асимметричной системе. Разница энергий этих скачков находится в терагерцовой области энергий, которая, в свою очередь, излучает терагерцовые волны. В то же время эта работа показывает, что квантовый эффект атомного ядра играет ключевую роль, и предсказывает, что терагерцовое излучение может изучать изотопный эффект жидкостей.
Вышеуказанные результаты являются еще одним теоретическим прогрессом команды Сюэбина Бяня в области исследования сверхбыстрой динамики сильного поля в жидкой фазе, следуя модели статистического подъема и спада с высокими гармониками. Соответствующие результаты исследования были опубликованы в Трудах Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки (PNAS) под названием «Терагерцовое излучение, индуцированное сдвиговыми токами в жидкостях». Исследовательская работа была поддержана Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая, Национальным фондом естественных наук Китая и Программой стабильной поддержки молодых коллективов в областях фундаментальных исследований Китайской академии наук.

Принципиальная схема генерации жидкостных терагерцовых волн