Истраживачки тим СЗТУ открива нови механизам кохерентног зрачења у атосекундним импулсима

Недавно је тим проф. Руан Схуангцхен и проф. Зхоу Цангтао са Технолошког универзитета Шенжен (СЗУТ) по први пут у свету предложио физичку шему за генерисање атосекундних импулса и подциклусног кохерентног оптичког шока из репног поља суперлуминалне плазме, и објаснио нови механизам за генерисање кохерентног зрачења којим доминира колективно дејство електрона. Резултати истраживања објављени су у врхунском међународном часопису за физику Пхисицал Ревиев Леттерс под насловом „Кохерентни подциклусни оптички шок од буђења суперлуминалне плазме“. Доцент Хао Пенг је први аутор рада, а професори Таиву Хуанг, Цангтао Зхоу и Схуангсхен Руан су ко-дописници.
Зрачење електромагнетних таласа се може видети свуда у нашим животима и уско је повезано са нашим животима, као што су сунчева светлост и светла у видљивом опсегу, мобилни телефони и ВИФИ сигнали у микроталасном опсегу, фотолитографски извори светлости у екстремном ултраљубичастом опсегу и рендгенски зраци у високоенергетском опсегу. Међутим, већина светлости у природи је некохерентна светлост, која има сложене фреквенције, веома широку просторну усмереност и хаотичне фазе. Први кохерентни извор светлости, ласер, измишљен је 1960-их. За кохерентну светлост, због кохерентности спектралних компоненти које садржи, фазна разлика сваке компоненте је фиксна, па је могуће реализовати модулацију и компресију светлосних импулса, тако да се добије кохерентни извор светлости са веома кратким трајање и веома велика вршна снага.
Кохерентни извори светлости као што су ласери постали су свеприсутни убрзо након њиховог увођења, а важне примене ласера ​​могу се наћи свуда, од научних истраживања, индустрије и војске до комуникација, забаве и уметности, као иу нашем свакодневном животу. Развој ласерске технологије и њене примене такође су довели до бројних Нобелових награда, као што је Нобелова награда за физику 2018. додељена Жерару Муру и проф. Дони Стрикланд за проналазак ласерског појачања са цирпираним импулсом, што је повећало број ласера осветљеност (густина снаге) за око 10 редова величине, премашујући осветљеност сунчеве светлости за око 21 ред величине; док су овогодишњу Нобелову награду за физику добили Пјер Агостини, Ференц Краус и проф. Ан Л'Хуиллиер, проналазачи атосекундних импулса светлости, који су довољно кратки да захвате слике унутрашње еволуције атома и молекула.

(а) Извор светлости у природи; (б) Кохерентни извор светлости створен људским ласером; (ц) Акустична побуда изазвана надзвучним авионом; (д) Шематски дијаграм принципа генерисања побуде извором зрачења.
Кључ за стварање кохерентних извора светлости је фазно закључавање, односно, тако да је фаза између сваке микроскопске честице укључене у зрачење иста, стварање ласера ​​се заснива на принципу стимулисаног зрачења који је изнео Ајнштајн. , то јест, број честица обрнутих атома ће бити ослобођен са фазом упадног фотона у складу са упадним фотонима фотона; и ласер са слободним електронима, такав меганаучни уређај се заснива на микроагрегацији снопа електрона ефекта снопа, чиме се обезбеђује да кретање сваког електрона буде у истој фази. У природи постоји још један механизам за закључавање фазе за таласе - побуде. На пример, акустична побуда се генерише када се надзвучни авион креће брже од брзине звука у ваздуху, јер је фазни фронт дуж одређеног угла (угао Черенкова) фазно закључан када звучни таласи које ствара глава авиона у различитим тренуцима раширен према споља у сферном таласном фронту. Слично томе, ако се дозволи извору зрачења да премаши брзину светлости, може се произвести нова врста кохерентног електромагнетног таласног зрачења, оптичка побуда. Међутим, немогуће је учинити да исти извор зрачења премаши брзину светлости у вакууму, јер нам специјална теорија релативности говори да кретање било ког објекта не може „премашити брзину светлости“.
Последњих година, истраживачки тим Технолошког универзитета у Шенжену енергично промовише изградњу прве велике супер-интензивне ласерске свеобухватне експерименталне платформе (наносекундни-пикосекунд-фемтосекундни ласерски уређај велике снаге)-Цхенгуанг серије уређаја на домаћим универзитетима . Важан истраживачки правац ове платформе је да се развије нови извор светлости кохерентног зрачења и спроведе сродна истраживања примене. Недавно је тим предложио нови механизам кохерентног зрачења заснован на колективном деловању електрона из основног принципа кохерентног зрачења: кроз интеракцију релативистичког електронског снопа са плазмом са полако променљивим градијентом густине, плазма вакуола постепено смањење величине може бити стимулисано (величина вакуоле је у негативној корелацији са густином плазме), а електрони плазме на различитим позицијама се одбијају на крају вакуоле и зраче на крају вакуоле, због уздужне величине вакуоле. вакуола. Електрони плазме на различитим локацијама одбијају се од краја мехурића и тамо зраче. Како се уздужна величина мехурића постепено смањује, колективна брзина његовог репа је већа од брзине погонског електронског снопа (близу брзини светлости), чиме се постиже услов „суперлуминалности“, а самим тим и зрачења различити електрони генерисани овде су кохерентно суперпонирани да формирају оптичке побуде дуж угла Черенкова. Извор светлости зрачења има веома јединствена својства: не само да је ширина импулса изузетно кратка, достижући скалу атосекунде, а интензитет је веома висок, пропорционалан квадрату удаљености ширења, већ има и одличну просторну усмереност, веома малу угаону дисперзију , стабилну фазу омотача носиоца и ултра-широки опсег подешавања фреквенције.

(а) Шематски дијаграм релативистичког електронског снопа који удара у плазму и генерише талас оптичке побуде на задњем крају вакуоле; (б) Зрачење таласа оптичког побуђивања на задњем крају суперсветлеће вакуоле као што се види у великој нумеричкој симулацији суперкомпјутера.
Горњи рад илуструје нови механизам кохерентног зрачења који покреће електронски сноп, који разбија ограничења класичне теорије кохерентног зрачења која захтева да величина снопа електрона буде много мања од таласне дужине зрачења. У међувремену, овај рад пружа једноставну и изводљиву физичку експерименталну шему за генерисање кохерентног извора светлости, за коју се очекује да генерише висококвалитетне аттосекундне субпериодичне ласерске импулсе на површини стола, што ће имати важан утицај на атосекундну спектроскопију живих ткива и ћелија, ултрабрза молекуларна манипулација и дијагностика, електронска метрологија атосекундне динамике и ултрависокофреквентна обрада сигнала фреквенције откуцаја херца и друга примењена истраживања. Поред тога, овај рад је развио први паралелни рачунарски програм за кохерентно зрачење у временском домену далеког поља у Кини, решио проблеме уског грла нумеричке дисперзије и трансформационе буке блиског и далеког поља у традиционалним методама симулације и остварио високо време -просторно разрешена самоконзистентна симулација високофреквентног зрачења, као и обезбеђена нова технолошка метода за развој нових кохерентних извора зрачења.
Овај резултат је још један важан напредак у генерисању кохерентног зрачења вођеним електронским снопом који је направио истраживачки тим физике високе густине енергије са Технолошког универзитета у Шенжену, након објављивања у Пхисицал Ревиев Леттерс из децембра 2021. и маја 2023. године. Вреди напоменути да су португалски научници предложили сличан физички механизам и шему готово истовремено са тимом, а сродни рад је прихватио Натуре Пхотоницс, часопис под Натуре.
Ово истраживање је финансирано и подржано од стране Програма кључних истраживања и развоја Министарства науке и технологије Кине, Националне фондације за природне науке Кине (НСФЦ), Програма за оснивање кључних лабораторија у Шенжену и Програма изванредног фонда за младе у Шенжену. Рад на симулацији је обављен на платформи за симулацију суперкомпјутера од скоро трилион пута/секунди Истраживачког центра за напредну технологију тестирања материјала Технолошког универзитета у Шенжену.