SZTU研究チームがアト秒パルスにおけるコヒーレント放射の新たなメカニズムを発見

最近、深セン理工大学（SZUT）のRuan Shuangchen教授とZhou Cangtao教授のチームは、超光速プラズマテールフィールドからアト秒パルスとサブサイクルコヒーレント光衝撃を生成する物理スキームを世界で初めて提案した。そして、電子の集団作用によって支配されるコヒーレント放射線を生成するための新しいメカニズムを説明しました。 研究結果は、「超光速プラズマ航跡からのコヒーレントサブサイクル光衝撃」というタイトルで、国際物理学のトップジャーナルであるPhysical Review Lettersに掲載された。 Hao Peng助教授がこの論文の筆頭著者であり、Taiwu Huang教授、Cangtao Zhou教授、Shuangshen Ruan教授が共同責任著者です。
電磁波放射は私たちの生活のあらゆる場所で見られ、可視帯域の太陽光や照明、マイクロ波帯域の携帯電話やWIFI信号、極紫外線帯域のフォトリソグラフィー光源やX線など、私たちの生活と密接に関係しています。高エネルギー帯域で。 しかし、自然界の光のほとんどは非コヒーレント光であり、複雑な周波数、非常に広い空間指向性、およびカオス的な位相を持っています。 最初のコヒーレント光源であるレーザーは 1960 年代に発明されました。 コヒーレント光の場合、含まれるスペクトル成分のコヒーレンスにより、各成分の位相差が固定されるため、光パルスの変調と圧縮を実現でき、非常に短い波長でコヒーレント光源を得ることができます。継続時間と非常に高いピークパワー。
レーザーなどのコヒーレント光源は、その導入後すぐに普及し、科学研究、産業、軍事から通信、エンターテイメント、芸術、さらには日常生活に至るまで、レーザーの重要な用途があらゆるところで見られます。 レーザー技術とその応用の開発は、数多くのノーベル賞も生み出しています。たとえば、2018年のノーベル物理学賞は、レーザーの増加に貢献したチャープパルスレーザー増幅の発明に対してジェラール・ムルー氏とドナ・ストリックランド教授に授与されました。明るさ（電力密度）は約10桁で、太陽光の明るさを約21桁上回ります。 一方、今年のノーベル物理学賞は、原子や分子の内部進化の画像を捉えるのに十分な短さの光のアト秒パルスの発明者であるピエール・アゴスティーニ氏、フェレンツ・クラウス氏、アンヌ・ルイリエ教授に授与された。

(a) 自然界の光源。 (b) 人間が作成したコヒーレント光源 - レーザー。 (c) 超音速飛行機によって引き起こされる音響励起。 (d) 放射線源による励起の発生原理の模式図。
コヒーレント光源の生成の鍵は位相ロックです。つまり、放射線に含まれる各微粒子間の位相が同じになるように、レーザーの作成はアインシュタインが提唱した誘導放射線の原理に基づいています。 、つまり、原子の反転された粒子の数が、光子の入射光子と一致する入射光子の位相で放出されます。 自由電子レーザーなどの巨大科学装置は、電子ビーム効果の微小集合に基づいており、各電子の動きが確実に同位相になります。 自然界には、波に対する別の位相ロック機構、つまり励起が存在します。 たとえば、超音速飛行機が空気中の音速よりも速く移動すると、音響励起が発生します。これは、飛行機の頭部によってさまざまな瞬間に音波が発生するときに、特定の角度 (チェレンコフ角) に沿った位相面が位相ロックされるためです。球状の波面として外側に広がります。 同様に、放射線源が光速を超えることができる場合、新しいタイプのコヒーレント電磁波放射線、つまり光励起が生成される可能性があります。 しかし、特殊相対性理論によれば、いかなる物体の運動も「光速を超える」ことはできないとされているため、同じ放射線源を真空中で光速を超えるようにすることは不可能です。
近年、深セン理工大学の研究チームは、国内大学初の大規模超高強度レーザー総合実験プラットフォーム（高出力ナノ秒・ピコ秒・フェムト秒レーザー装置）・晨光シリーズ装置の構築を精力的に推進している。 。 このプラットフォームの重要な研究方向は、新しいコヒーレント放射光源を開発し、関連する応用研究を実行することです。 最近、研究チームは、コヒーレント放射の基本原理に基づく電子の集団作用に基づいた新しいコヒーレント放射メカニズムを提案しました。相対論的電子ビームとゆっくりと上向きに変化する密度勾配を持つプラズマとの相互作用を通じて、プラズマ空胞は徐々に変化します。サイズの縮小が刺激される可能性があり（液胞のサイズは血漿の密度と負の相関があります）、長手方向のサイズにより、さまざまな位置にあるプラズマ電子が液胞の端で跳ね返り、液胞の端で放射します。液胞。 さまざまな場所のプラズマ電子はバブルの端で反射し、そこで放射されます。 気泡の長手方向のサイズが徐々に減少するにつれて、その尾部の集団速度は駆動電子ビームの速度（光速に近い）よりも大きくなり、「超光速」の状態が達成され、したがって気泡の放射が起こります。ここで生成されたさまざまな電子はコヒーレントに重ね合わされ、チェレンコフ角に沿った光励起を形成します。 放射光源は非常にユニークな特性を持っています。パルス幅がアト秒スケールに達するほど非常に短く、強度が伝播距離の二乗に比例して非常に高いだけでなく、優れた空間指向性、非常に小さい角分散も備えています。 、安定した搬送波エンベロープ位相、および超広い周波数同調範囲。

(a) 相対論的電子ビームがプラズマに衝突し、液胞の終端で光励起波を生成する模式図。 (b) 大規模なスーパーコンピューティング数値シミュレーションで見られる、超光度の高い液胞の終端における光励起波の放射。
上記の研究は、電子ビームによって駆動される新しいコヒーレント放射メカニズムを示しており、電子ビームのサイズが放射波長よりもはるかに小さい必要があるという古典的なコヒーレント放射理論の制限を打ち破るものです。 一方、この研究は、コヒーレント光源生成のためのシンプルで実現可能な物理実験スキームを提供し、卓上サイズで高品質のアト秒準周期レーザーパルスを生成することが期待されており、これは生体組織や細胞のアト秒分光法に重要な影響を与えるだろう。超高速分子操作と診断、電子アト秒動力学計測学、ビートヘルツ周波数の超高周波信号処理、およびその他の応用研究。 さらに、この研究は、中国初のファーフィールド時間領域コヒーレント放射用の並列計算プログラムを開発し、従来のシミュレーション手法における数値分散とニアフィールドおよびファーフィールド変換ノイズのボトルネック問題を解決し、高速処理を実現しました。 -高周波放射線の空間分解能の自己一貫性のあるシミュレーション、および新しいコヒーレント放射線源の開発のための新しい技術的方法を提供しました。
この成果は、Physical Review Lettersでの2021年12月と2023年5月の発表に続き、深セン理工大学の高エネルギー密度物理研究チームによってなされた、電子ビーム駆動のコヒーレント放射線生成におけるもう一つの重要なブレークスルーである。 ポルトガルの科学者がチームとほぼ同時に同様の物理的メカニズムとスキームを提案し、関連する研究が Nature 傘下の雑誌 Nature Photonics に受理されたことは言及する価値があります。
この研究は、中国科学技術省の重点研究開発プログラム、中国国家自然科学財団（NSFC）、深セン重点研究所設立プログラム、および深セン優秀青少年基金プログラムによって資金提供および支援を受けました。 シミュレーション作業は、深セン理工大学先端材料試験技術研究センターの毎秒約兆回のスーパーコンピューティング シミュレーション プラットフォームで行われました。