精密計測研究所、液体テラヘルツ波発生メカニズムの理論研究が進展

テラヘルツ波は、通信や画像処理の用途で価値があります。 強磁場超高速レーザーと物質との非線形相互作用は、テラヘルツ波を発生させる重要な方法の 1 つです。 プラズマ、ガス、結晶などのテラヘルツ発生媒体に関連する実験的および理論的研究は比較的よく研究されています。 しかし、テラヘルツ波の吸収が非常に強い媒体である液体の水がテラヘルツ波を発生するという報告はありませんでした。2017年に、液体の膜厚や液体のビーム径が大きくなると、テラヘルツ波は吸収よりも放射の方が多くなることが実験的に判明しました。マイクロメートルスケールにまで縮小されます。 これにより、液体テラヘルツ波研究に新たな方向性が開かれました。
近年、液体テラヘルツ波の分野で実験報告がなされていますが、他の媒体の結果とは異なる現象が実験的に観察されることが多くなっています。 たとえば、単色レーザー場では液体テラヘルツ波を効果的に生成できますが、気体媒体では 2 色レーザーの特定の位相差が必要です。 液体テラヘルツ波の収量は駆動レーザーのエネルギーに比例しますが、気体媒体では二乗関係になります。 液体テラヘルツ波の特定の範囲では、レーザーのパルス幅の増加に伴って収量が増加しますが、気体媒体ではその逆が当てはまります。 2色レーザー駆動では液体テラヘルツ波 2色レーザーで駆動した液体テラヘルツ波には無変調信号が現れますが、気体媒体では同様の信号は見られません。 複雑で無秩序な液相系の理論的研究は常に困難な問題であり、上記の現象は既存の理論で説明することが困難です。 研究者は、以前のプラズマモデルと界面効果に基づいて、高光強度での巨視的な実験結果の一部を説明することしかできません。
最近、中国科学院（CAS）の精密測定科学技術イノベーション研究所（IPMSI）の研究者Bian Xuebin氏と博士課程の学生Li Zhengliang氏は、液体テラヘルツ波を発生させるための変位電流モデルを提案した。上記の実験で観察された一連の異常を体系的に説明できます。 微視的な機構モデルの物理イメージは図に示されています。液体の無秩序な構造により電子波束が局所化され、さまざまな分子の外側電子のエネルギーが環境によってシフトされ、さまざまな分子の外側電子が移動します。強磁場レーザーの作用下で、非対称システム内に変位電流を生成するためにジャンプが発生します。 これらの飛躍のエネルギー差はテラヘルツエネルギー領域にあり、テラヘルツ波が放射されます。 同時に、この研究は原子核の量子効果が重要な役割を果たすことを示し、テラヘルツ放射が液体の同位体効果を研究できることを予測している。
上記の結果は、高調波統計的上昇下降モデルに従った、液相強磁場の超高速ダイナミクス研究の分野における Xuebin Bian チームのもう 1 つの理論的進歩です。 関連する研究結果は、「液体中のシフト電流によって誘導されるテラヘルツ放射」というタイトルで、米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されました。 この研究活動は、中国国家重点研究開発プログラム、中国国家自然科学財団、および中国科学院の基礎研究分野における若手チームの安定的支援プログラムによって支援された。

液体テラヘルツ波発生の模式図