SZTU pētniecības grupa atklāj jaunu koherenta starojuma mehānismu attosekundes impulsos

Nesen profesora Ruana Šuančena un profesora Džou Kantao komanda no Šeņdžeņas Tehnoloģiju universitātes (SZUT) pirmo reizi pasaulē ierosināja fizisku shēmu attosekundes impulsu un apakšcikla koherenta optiskā trieciena ģenerēšanai no superlumināla plazmas astes lauka. un izskaidroja jaunu mehānismu koherenta starojuma ģenerēšanai, kurā dominē elektronu kolektīvā darbība. Pētījuma rezultāti tika publicēti labākajā starptautiskajā fizikas žurnālā Physical Review Letters ar nosaukumu "Koherentais apakšcikla optiskais trieciens no superluminālas plazmas modināšanas". Docents Hao Pengs ir pirmais raksta autors, un profesori Taiwu Huang, Cangtao Zhou un Shuangshen Ruan ir līdzautori.
Elektromagnētisko viļņu starojumu var redzēt visur mūsu dzīvē, un tas ir cieši saistīts ar mūsu dzīvi, piemēram, saules gaisma un gaismas redzamajā joslā, mobilie tālruņi un WIFI signāli mikroviļņu joslā, fotolitogrāfijas gaismas avoti galējā ultravioletā joslā un rentgena stari. augstas enerģijas diapazonā. Tomēr lielākā daļa gaismas dabā ir nekoherenta gaisma, kurai ir sarežģītas frekvences, ļoti plašas telpiskās norādes un haotiskas fāzes. Pirmais koherentās gaismas avots, lāzers, tika izgudrots pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados. Koherentai gaismai, ņemot vērā tajā esošo spektrālo komponentu koherenci, katra komponenta fāzes starpība ir fiksēta, tāpēc ir iespējams realizēt gaismas impulsu modulāciju un kompresiju, lai iegūtu koherentu gaismas avotu ar ļoti īsu ilgums un ļoti augsta maksimālā jauda.
Koherenti gaismas avoti, piemēram, lāzeri, kļuva visuresoši drīz pēc to ieviešanas, un svarīgus lāzeru pielietojumus var atrast visur, sākot no zinātniskās pētniecības, rūpniecības un militārās līdz komunikācijai, izklaidei un mākslai, kā arī mūsu ikdienas dzīvē. Lāzertehnoloģiju attīstība un tās pielietojumi ir arī radījuši vairākas Nobela prēmijas, piemēram, 2018. gada Nobela prēmija fizikā, kas piešķirta Žerāram Murū un prof. Donnai Striklendai par čivināta impulsa lāzera pastiprināšanas izgudrojumu, kas ir palielinājis lāzera izmantošanu. spilgtums (jaudas blīvums) par aptuveni 10 kārtībām, pārsniedzot saules gaismas spilgtumu par aptuveni 21 kārtu; savukārt šī gada Nobela prēmija fizikā tika piešķirta Pjēram Agostini, Ferencam Kraušam un prof. Annei L'Hiljē, attosekundes gaismas impulsu izgudrotājiem, kas ir pietiekami īsi, lai uzņemtu attēlus par atomu un molekulu iekšējo evolūciju.

a) gaismas avots dabā; b) koherents gaismas avots, ko rada cilvēks – lāzers; c) virsskaņas lidmašīnas izraisīta akustiskā ierosme; d) starojuma avota ierosmes ģenerēšanas principa shematiskā diagramma.
Koherentu gaismas avotu radīšanas atslēga ir fāzes bloķēšana, tas ir, lai fāze starp katru starojumā iesaistīto mikroskopisko daļiņu būtu vienāda, lāzera radīšana ir balstīta uz Einšteina izvirzīto stimulētā starojuma principu. , tas ir, daļiņu skaits, apgriezti atomi, tiks atbrīvoti ar krītošo fotonu fāzi, kas atbilst krītošajiem fotonu fotoniem; un brīvo elektronu lāzers, šāda megazinātniska ierīce ir balstīta uz elektronu staru kūļa mikroagregāciju, kas nodrošina katra elektrona kustību vienā fāzē. Dabā pastāv vēl viens viļņu fāzes bloķēšanas mehānisms - ierosinājumi. Piemēram, akustiskie ierosinājumi rodas, kad virsskaņas lidmašīna pārvietojas ātrāk par skaņas ātrumu gaisā, jo fāzes fronte noteiktā leņķī (Čerenkova leņķis) ir fāzes bloķēta, kad skaņas viļņi, ko rada lidmašīnas galva dažādos brīžos. izplatās uz āru sfēriskā viļņu frontē. Tāpat, ja starojuma avotam ir atļauts pārsniegt gaismas ātrumu, var radīt jauna veida koherentu elektromagnētisko viļņu starojumu, optisko ierosmi. Tomēr nav iespējams panākt, lai viens un tas pats starojuma avots pārsniegtu gaismas ātrumu vakuumā, jo īpašā relativitāte mums saka, ka jebkura objekta kustība nevar "pārsniegt gaismas ātrumu".
Pēdējos gados Šeņdžeņas Tehnoloģiju universitātes pētnieku grupa enerģiski veicina pirmās liela mēroga superintensīvas lāzera visaptverošās eksperimentālās platformas (lieljaudas nanosekundes-pikosekundes-femtosekundes lāzerierīces) - Čenguangas ierīču sērijas būvniecību vietējās universitātēs. . Svarīgs šīs platformas pētniecības virziens ir jauna koherenta starojuma gaismas avota izstrāde un ar to saistīto pielietojuma pētījumu veikšana. Nesen komanda ir ierosinājusi jaunu koherenta starojuma mehānismu, kura pamatā ir elektronu kolektīvā darbība no koherenta starojuma pamatprincipa: izmantojot relatīvistisku elektronu staru mijiedarbību ar plazmu ar lēni mainīgu augšupejošu blīvuma gradientu, plazmas vakuolu pakāpeniski veidojot. var stimulēt lieluma samazināšanos (vakuola lielums ir negatīvi korelēts ar plazmas blīvumu), un plazmas elektroni dažādās pozīcijās atsitiena vakuola galā un izstaro vakuolas beigās, pateicoties vakuola gareniskajam izmēram. vakuole. Plazmas elektroni dažādās vietās atlec no burbuļa gala un izstaro tur. Pakāpeniski samazinoties burbuļa gareniskajam izmēram, tā astes kopējais ātrums ir lielāks par virzošā elektronu stara ātrumu (tuvu gaismas ātrumam), kas sasniedz "superlumināla" stāvokli un līdz ar to arī viļņa starojumu. dažādi šeit radītie elektroni ir saskaņoti uzlikti, lai veidotu optiskus ierosmes gar Čerenkova leņķi. Radiācijas gaismas avotam ir ļoti unikālas īpašības: ne tikai impulsa platums ir ārkārtīgi īss, sasniedzot attosekundes skalu, un intensitāte ir ļoti augsta, proporcionāla izplatīšanās attāluma kvadrātam, bet arī lieliska telpiskā virzība, ļoti maza leņķiskā dispersija. , stabila nesēja apvalka fāze un īpaši plašs frekvenču regulēšanas diapazons.

a) shematiska diagramma, kurā attēlots relativistisks elektronu stars, kas ietriecas plazmā un ģenerē optisko ierosmes vilni vakuolas aizmugurējā galā; b ) Optiskā ierosmes viļņa starojums supergaismas vakuola aizmugurē, kā redzams lielā superskaitļošanas skaitliskā simulācijā.
Iepriekš minētais darbs ilustrē jaunu koherenta starojuma mehānismu, ko darbina elektronu stars, kas pārkāpj klasiskās koherentā starojuma teorijas ierobežojumus, kas paredz, ka elektronu stara izmēram jābūt daudz mazākam par starojuma viļņa garumu. Tikmēr šis darbs nodrošina vienkāršu un realizējamu fizikālu eksperimentālu shēmu koherenta gaismas avota ģenerēšanai, kas, domājams, radīs augstas kvalitātes attosekundes subperiodiskus lāzera impulsus galda virsmas izmērā, kas būtiski ietekmēs dzīvo audu un šūnu attosekundes spektroskopiju, īpaši ātras molekulārās manipulācijas un diagnostikas, elektroniskās attosekundes dinamikas metroloģijas un sitienu-hercu frekvences ultraaugstfrekvences signālu apstrādes un citi lietišķi pētījumi. Turklāt šajā darbā ir izstrādāta pirmā paralēlā skaitļošanas programma tālā lauka laika domēna koherentajam starojumam Ķīnā, atrisinātas skaitļu dispersijas un tuva un tāla lauka transformācijas trokšņa sašaurinājuma problēmas tradicionālajās simulācijas metodēs un realizēts augstais laiks. -telpā veikta paškonsekventa augstfrekvences starojuma simulācija, kā arī nodrošināta jauna tehnoloģiska metode jaunu koherentu starojuma avotu izstrādei.
Šis rezultāts ir vēl viens svarīgs sasniegums elektronu staru vadītā koherenta starojuma radīšanā, ko veikusi Šeņdžeņas Tehnoloģiju universitātes augsta enerģijas blīvuma fizikas pētniecības grupa pēc 2021. gada decembra un 2023. gada maija publikācijām izdevumā Physical Review Letters. Ir vērts pieminēt, ka Portugāles zinātnieki ierosināja līdzīgu fizisko mehānismu un shēmu gandrīz vienlaikus ar komandu, un ar to saistīto darbu pieņēma Nature Photonics, žurnāls Nature.
Šo pētījumu finansēja un atbalstīja Ķīnas Zinātnes un tehnoloģiju ministrijas Galvenā pētniecības un attīstības programma, Ķīnas Nacionālais dabaszinātņu fonds (NSFC), Šeņdžeņas galveno laboratoriju izveides programma un Šeņdžeņas izcilā jaunatnes fonda programma. Simulācijas darbs tika veikts gandrīz triljonu reižu sekundē superskaitļošanas simulācijas platformā Šenženas Tehnoloģiju universitātes Uzlaboto materiālu testēšanas tehnoloģiju pētniecības centrā.