Новый свет в терагерцовом окне: суперкомпьютерное моделирование открывает путь к компактным источникам терагерцового диапазона с настраиваемыми длинами волн

Используя подробное моделирование, ученые показали, как можно управлять длинами волн и поляризацией генерируемого терагерцового излучения с помощью сильного внешнего магнитного поля. В электромагнитном спектре терагерцовые волны занимают полосу между микроволнами и инфракрасным излучением. Диапазон от 0,1 ТГц до 30 ТГц, так называемый «терагерцовый промежуток», находится прямо между электроникой и оптикой и поэтому недоступен для обычных электрических устройств или оптических источников, таких как антенны и лампы. Однако его особые свойства делают ТГц излучение интересным по ряду причин: с одной стороны, оно проникает через ткани и пластмассы, а с другой — характерным образом поглощается многими материалами.

Спектр применения варьируется от неинвазивного раннего скрининга рака до контроля пищевых продуктов и сканирования тела, а также сверхбыстрых беспроводных соединений.С начала этого столетия источники на основе фемтосекундных лазеров, генерирующие терагерцовые волны, используются как сравнительно компактные и дешевые альтернативы ускорителям крупных частиц. «Этот метод работает как трансформатор, который преобразует высокую частоту входящего лазерного луча в нижний терагерцовый диапазон частот», — объясняет профессор Пол Гиббон ​​из суперкомпьютерного центра Julich Supercomputing Center (JSC).Один особенно благоприятный метод, который в настоящее время совершенствуется, использует два ультракоротких лазерных импульса с разной частотой, которые нацелены на газовую мишень. Газ ионизируется, и электроны высвобождаются.

Таким образом, гораздо более быстрые лазерные колебания преобразуются в терагерцевые волны с более низкими частотами. «Сильные электромагнитные поля двух лазеров заставляют электроны колебаться, но не совсем гармонично — или синусоидально — а вместо этого асимметрично, что при усреднении по лазерному циклу дает тип постоянного тока», — говорит сотрудник Гумбольдта д-р Вейи. Мин Ван, который также работает в суперкомпьютерном центре Julich Supercomputing Center (JSC). В противном случае частоты остались бы в более высоком диапазоне лазеров. «Таким образом генерируется терагерцовый импульс, который длится ровно один цикл, а затем излучается наружу», — говорит Ван.Вместе с исследователями из Университета Стратклайда и Института физики в Пекине, который является частью Китайской академии наук, два исследователя опубликовали статью о своей новой концепции, которая позволит генерировать терагерцовое излучение с настраиваемой длиной волны. за несколько циклов с узкой полосой пропускания — характеристики, аналогичные характеристикам лазеров оптического диапазона.

Он использует сильное магнитное поле, которое прикладывается извне к ионизированному газу и заставляет свободные электроны в плазме вращаться, как в ускорителе частиц. Эта орбита определяет длину волны, а также направление колебаний результирующего излучения.

Оптические свойства могут быть настроены по мере необходимости, изменяя силу магнитного поля, что может открыть дверь для широкого спектра новых применений.«Спектроскопические методы и методы визуализации — такие как, например, те, которые используются для исследования динамики больших биомолекул, таких как ДНК, — могут особенно выиграть от такого источника излучения, поскольку он обещает лучшую временную и пространственную разрешающую способность», — объясняет Вэй-Минь Ван. . Однако практически реализовать это не так-то просто, и экспериментальная проверка еще предстоит осуществить. «Эта концепция требует комбинации мощных лазеров и магнитных полей, превышающих 100 тесла.

Технически это чрезвычайно сложно, но возможно в рамках заданных пространственных и временных масштабов», — говорит Пол Гиббон. Ученые проводят сложные симуляционные расчеты на одном из самых быстрых суперкомпьютеров в Европе — суперкомпьютере Юлиха JUQUEEN — для изучения свойств нового терагерцового источника.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *