Istraživački tim SZTU-a otkriva novi mehanizam koherentnog zračenja u atosekundnim impulsima

Nedavno je tim prof. Ruan Shuangchena i prof. Zhou Cangtaoa sa Tehnološkog sveučilišta Shenzhen (SZUT) po prvi put u svijetu predložio fizikalnu shemu za generiranje atosekundnih impulsa i subciklusnog koherentnog optičkog šoka iz polja superluminalnog repa plazme, i objasnio novi mehanizam za stvaranje koherentnog zračenja kojim dominira kolektivno djelovanje elektrona. Rezultati istraživanja objavljeni su u vrhunskom međunarodnom fizikalnom časopisu Physical Review Letters pod naslovom "Koherentni subciklični optički šok iz buđenja superluminalne plazme". Docent Hao Peng prvi je autor rada, a profesori Taiwu Huang, Cangtao Zhou i Shuangshen Ruan suautori.
Zračenje elektromagnetskih valova može se vidjeti posvuda u našim životima i usko je povezano s našim životima, kao što su sunčeva svjetlost i svjetla u vidljivom pojasu, mobilni telefoni i WIFI signali u mikrovalnom pojasu, fotolitografski izvori svjetlosti u ekstremnom ultraljubičastom pojasu i X-zrake u visokoenergetskom pojasu. Međutim, većina svjetlosti u prirodi je nekoherentna svjetlost, koja ima složene frekvencije, vrlo široku prostornu usmjerenost i kaotične faze. Prvi koherentni izvor svjetlosti, laser, izumljen je 1960-ih. Za koherentnu svjetlost, zbog koherencije spektralnih komponenti koje sadrži, fazna razlika svake komponente je fiksna, tako da je moguće ostvariti modulaciju i kompresiju svjetlosnih impulsa, kako bi se dobio koherentni izvor svjetlosti s vrlo kratkim trajanje i vrlo visoku vršnu snagu.
Koherentni izvori svjetlosti kao što su laseri postali su sveprisutni ubrzo nakon njihovog predstavljanja, a važne primjene lasera mogu se pronaći posvuda, od znanstvenog istraživanja, industrije i vojske do komunikacija, zabave i umjetnosti, kao iu našim svakodnevnim životima. Razvoj laserske tehnologije i njezinih primjena doveo je i do brojnih Nobelovih nagrada, poput Nobelove nagrade za fiziku 2018. dodijeljene Gerardu Mourouu i prof. Donni Strickland za izum laserskog pojačanja chirped-pulsa, koje je povećalo laser svjetlina (gustoća snage) za oko 10 reda veličine, premašujući svjetlinu sunčeve svjetlosti za oko 21 red veličine; dok je ovogodišnja Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena Pierreu Agostiniju, Ferencu Krauszu i prof. Anne L'Huillier, izumiteljima atosekundnih pulseva svjetlosti, koji su dovoljno kratki da zabilježe slike unutarnje evolucije atoma i molekula.

(a) Izvor svjetlosti u prirodi; (b) Koherentni izvor svjetlosti koji stvara čovjek – laser; (c) akustično uzbuđenje uzrokovano nadzvučnim zrakoplovom; (d) Shematski dijagram principa generiranja pobude izvorom zračenja.
Ključ za stvaranje koherentnih izvora svjetlosti je fazno zaključavanje, to jest, tako da je faza između svake mikroskopske čestice uključene u zračenje ista, stvaranje lasera temelji se na principu stimuliranog zračenja koje je iznio Einstein , to jest, broj čestica obrnutih atoma bit će otpušten s fazom upadnog fotona u skladu s upadnim fotonima fotona; i laser slobodnih elektrona, takav mega-znanstveni uređaj temelji se na mikroagregaciji snopa elektrona snop efekta, koji osigurava da je kretanje svakog elektrona u istoj fazi. U prirodi postoji još jedan mehanizam faznog zaključavanja valova - ekscitacije. Na primjer, akustična pobuđenja nastaju kada nadzvučni zrakoplov putuje brže od brzine zvuka u zraku, jer je fazna fronta duž određenog kuta (Čerenkovljev kut) fazno zaključana kada zvučni valovi koje generira glava zrakoplova u različitim trenucima širiti prema van u sferičnoj valnoj fronti. Slično, ako se dopusti da izvor zračenja premaši brzinu svjetlosti, može se proizvesti nova vrsta koherentnog elektromagnetskog zračenja, optička ekscitacija. Međutim, nemoguće je postići da isti izvor zračenja premaši brzinu svjetlosti u vakuumu, jer nam specijalna teorija relativnosti kaže da kretanje bilo kojeg objekta ne može "premašiti brzinu svjetlosti".
Posljednjih godina, istraživački tim Tehnološkog sveučilišta u Shenzhenu snažno promiče izgradnju prve sveobuhvatne eksperimentalne platforme velikih razmjera super-intenzivnog lasera (nanosekundni-pikosekundni-femtosekundni laserski uređaj velike snage) - serije uređaja Chenguang na domaćim sveučilištima . Važan smjer istraživanja ove platforme je razvoj novog koherentnog izvora svjetlosti zračenja i provođenje srodnih istraživanja primjene. Nedavno je tim predložio novi mehanizam koherentnog zračenja koji se temelji na zajedničkom djelovanju elektrona iz osnovnog principa koherentnog zračenja: kroz interakciju relativističke zrake elektrona s plazmom s polagano promjenjivim gradijentom gustoće naviše, plazma vakuola postupno može se stimulirati smanjenje veličine (veličina vakuole je u negativnoj korelaciji s gustoćom plazme), a elektroni plazme na različitim položajima odbijaju se na kraju vakuole i zrače na kraju vakuole, zbog uzdužne veličine vakuola. Elektroni plazme na različitim mjestima odbijaju se od kraja mjehurića i tamo zrače. Kako se uzdužna veličina mjehurića postupno smanjuje, skupna brzina njegovog repa veća je od brzine pogonskog snopa elektrona (približna brzini svjetlosti), čime se postiže stanje "superluminalnosti", a time i zračenja mjehurića. različiti elektroni koji se ovdje generiraju koherentno se superponiraju u obliku optičkih pobuđenja duž Čerenkovljevog kuta. Izvor svjetlosti zračenja ima vrlo jedinstvena svojstva: ne samo da je širina impulsa iznimno kratka, doseže skalu attosekunde, a intenzitet je vrlo visok, proporcionalan kvadratu udaljenosti širenja, već također ima izvrsnu prostornu usmjerenost, vrlo malu kutnu disperziju , stabilnu fazu ovojnice nositelja i ultra-široki raspon ugađanja frekvencije.

(a) Shematski dijagram relativističke elektronske zrake koja pogađa plazmu i stvara optički pobudni val na kraju repa vakuole; (b) Zračenje valova optičke pobude na kraju repa supersvjetleće vakuole kako se vidi u velikoj numeričkoj simulaciji superračunala.
Gore navedeni rad ilustrira novi koherentni mehanizam zračenja kojeg pokreće snop elektrona, koji razbija ograničenja klasične teorije koherentnog zračenja koja zahtijeva da veličina snopa elektrona bude mnogo manja od valne duljine zračenja. U međuvremenu, ovaj rad pruža jednostavnu i izvedivu fizičku eksperimentalnu shemu za generiranje koherentnog izvora svjetlosti, za koji se očekuje da će generirati visokokvalitetne atosekundne subperiodične laserske impulse na veličini stola, što će imati važan utjecaj na atosekundnu spektroskopiju živih tkiva i stanica, ultrabrza molekularna manipulacija i dijagnoza, elektroničko atosekundno dinamičko mjeriteljstvo i ultravisokofrekventna obrada signala frekvencije otkucaja herca i druga primijenjena istraživanja. Osim toga, ovaj je rad razvio prvi paralelni računalni program za koherentno zračenje dalekog polja u vremenskoj domeni u Kini, riješio probleme uskog grla numeričke disperzije i transformacijskog šuma bliskog i dalekog polja u tradicionalnim simulacijskim metodama i ostvario visoko vrijeme -prostorno razlučena samokonzistentna simulacija visokofrekventnog zračenja, kao i nova tehnološka metoda za razvoj novih koherentnih izvora zračenja.
Ovaj je rezultat još jedan važan napredak u stvaranju koherentnog zračenja vođenog snopom elektrona koji je napravio istraživački tim fizike visoke gustoće energije Tehnološkog sveučilišta u Shenzhenu, nakon publikacija u Physical Review Lettersu u prosincu 2021. i svibnju 2023. Vrijedno je spomenuti da su portugalski znanstvenici predložili sličan fizički mehanizam i shemu gotovo istodobno s timom, a srodni rad prihvatio je Nature Photonics, časopis pod Natureom.
Ovo istraživanje je financirano i podržano od strane Ključnog programa za istraživanje i razvoj Ministarstva znanosti i tehnologije Kine, Nacionalne zaklade za prirodne znanosti Kine (NSFC), Programa osnivanja ključnih laboratorija u Shenzhenu i Programa izvanrednog fonda za mlade u Shenzhenu. Simulacija je obavljena na superračunalnoj simulacijskoj platformi od gotovo trilijun puta/sekundi Istraživačkog centra za tehnologiju naprednog ispitivanja materijala Tehnološkog sveučilišta u Shenzhenu.