Tim Peneliti SZTU Menemukan Mekanisme Baru Radiasi Koheren dalam Pulsa Attosecond

Baru-baru ini, tim dari Prof. dan menjelaskan mekanisme baru untuk menghasilkan radiasi koheren yang didominasi oleh aksi kolektif elektron. Hasil penelitian tersebut dipublikasikan di jurnal fisika internasional terkemuka Physical Review Letters dengan judul "Kejutan optik subsiklus yang koheren dari kebangkitan plasma superluminal". Asisten Profesor Hao Peng adalah penulis pertama makalah ini, dan Profesor Taiwu Huang, Cangtao Zhou, dan Shuangshen Ruan adalah penulis koresponden.
Radiasi gelombang elektromagnetik dapat dilihat di mana-mana dalam kehidupan kita dan berkaitan erat dengan kehidupan kita, seperti sinar matahari dan lampu pada pita tampak, telepon seluler dan sinyal WIFI pada pita gelombang mikro, sumber cahaya fotolitografi pada pita ultraviolet ekstrim, dan sinar-X. dalam pita energi tinggi. Namun, sebagian besar cahaya di alam adalah cahaya non-koheren, yang memiliki frekuensi kompleks, titik spasial sangat luas, dan fase kacau. Sumber cahaya koheren pertama, laser, ditemukan pada tahun 1960an. Untuk cahaya koheren, karena koherensi komponen spektral yang dikandungnya, maka beda fasa tiap komponennya tetap, sehingga memungkinkan untuk mewujudkan modulasi dan kompresi pulsa cahaya, sehingga diperoleh sumber cahaya koheren dengan waktu yang sangat singkat. durasi dan daya puncak yang sangat tinggi.
Sumber cahaya yang koheren seperti laser ada di mana-mana segera setelah diperkenalkan, dan penerapan penting laser dapat ditemukan di mana saja, mulai dari penelitian ilmiah, industri dan militer hingga komunikasi, hiburan dan seni, serta dalam kehidupan kita sehari-hari. Perkembangan teknologi laser dan penerapannya juga telah melahirkan sejumlah Hadiah Nobel, seperti Hadiah Nobel Fisika 2018 yang diberikan kepada Gerard Mourou dan Prof. Donna Strickland atas penemuan amplifikasi laser chirped-pulse, yang telah meningkatkan kemampuan laser. kecerahan (kepadatan daya) sekitar 10 kali lipat, melebihi kecerahan sinar matahari sekitar 21 kali lipat; sedangkan Hadiah Nobel Fisika tahun ini dianugerahkan kepada Pierre Agostini, Ferenc Krausz, dan Prof. Anne L'Huillier, penemu pulsa cahaya attodetik, yang cukup pendek untuk menangkap gambar evolusi internal atom dan molekul.

(a) Sumber cahaya di alam; (b) Sumber cahaya koheren yang diciptakan oleh manusia - laser; (c) Eksitasi akustik yang disebabkan oleh pesawat supersonik; (d) Diagram skema prinsip pembangkitan eksitasi oleh sumber radiasi.
Kunci dari pembangkitan sumber cahaya yang koheren adalah penguncian fase, yaitu agar fase antara setiap partikel mikroskopis yang terlibat dalam radiasi adalah sama, pembuatan laser didasarkan pada prinsip radiasi terstimulasi yang dikemukakan oleh Einstein. , yaitu jumlah partikel atom terbalik yang akan dilepaskan dengan fasa foton datang yang konsisten dengan foton datang foton; dan laser elektron bebas, perangkat mega-ilmiah semacam itu didasarkan pada efek pancaran berkas elektron agregasi mikro, yang memastikan bahwa pergerakan setiap elektron berada dalam fase yang sama. Di alam, terdapat mekanisme penguncian fase lain untuk gelombang - eksitasi. Misalnya, eksitasi akustik dihasilkan ketika pesawat supersonik bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara di udara, karena fase depan sepanjang sudut tertentu (sudut Cherenkov) terkunci fase ketika gelombang suara dihasilkan oleh kepala pesawat pada saat yang berbeda. menyebar ke luar dalam muka gelombang berbentuk bola. Demikian pula, jika sumber radiasi dibiarkan melebihi kecepatan cahaya, jenis radiasi gelombang elektromagnetik koheren baru, eksitasi optik, dapat dihasilkan. Namun, tidak mungkin membuat sumber radiasi yang sama melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa, karena relativitas khusus memberi tahu kita bahwa pergerakan suatu benda tidak dapat "melebihi kecepatan cahaya".
Dalam beberapa tahun terakhir, tim peneliti Universitas Teknologi Shenzhen dengan penuh semangat mempromosikan pembangunan platform eksperimental komprehensif laser super intens berskala besar pertama (perangkat laser nanodetik-pikodetik-femtodetik berdaya tinggi) - rangkaian perangkat Chenguang di universitas dalam negeri . Arah penelitian penting dari platform ini adalah mengembangkan sumber cahaya radiasi koheren baru dan melakukan penelitian aplikasi terkait. Baru-baru ini, tim telah mengusulkan mekanisme radiasi koheren baru berdasarkan aksi kolektif elektron dari prinsip dasar radiasi koheren: melalui interaksi berkas elektron relativistik dengan plasma dengan gradien kepadatan ke atas yang bervariasi secara perlahan, vakuola plasma secara bertahap penurunan ukuran dapat dirangsang (ukuran vakuola berkorelasi negatif dengan kepadatan plasma), dan elektron plasma pada posisi berbeda memantul di ujung vakuola dan memancar di ujung vakuola, karena ukuran memanjang dari vakuola vakuola. Elektron plasma di lokasi berbeda memantul dari ujung gelembung dan memancar ke sana. Ketika ukuran longitudinal gelembung secara bertahap berkurang, kecepatan kolektif ekornya lebih besar daripada kecepatan berkas elektron penggerak (mendekati kecepatan cahaya), yang mencapai kondisi "superluminal", dan dengan demikian radiasi dari gelembung tersebut elektron berbeda yang dihasilkan di sini ditumpangkan secara koheren untuk membentuk eksitasi optik di sepanjang sudut Cherenkov. Sumber cahaya radiasi memiliki sifat yang sangat unik: tidak hanya lebar pulsa yang sangat pendek, mencapai skala attodetik, dan intensitasnya sangat tinggi, sebanding dengan kuadrat jarak rambat, tetapi juga memiliki pengarahan spasial yang sangat baik, dispersi sudut yang sangat kecil , fase selubung pembawa stabil, dan rentang penyetelan frekuensi ultra lebar.

(a) Diagram skema berkas elektron relativistik yang mengenai plasma dan menghasilkan gelombang eksitasi optik di ujung vakuola; (b) Radiasi gelombang eksitasi optik di ujung vakuola superluminous seperti yang terlihat dalam simulasi numerik superkomputer besar.
Karya di atas menggambarkan mekanisme radiasi koheren baru yang digerakkan oleh berkas elektron, yang mematahkan batasan teori radiasi koheren klasik yang mengharuskan ukuran berkas elektron jauh lebih kecil daripada panjang gelombang radiasi. Sementara itu, karya ini memberikan skema eksperimental fisik yang sederhana dan layak untuk pembangkitan sumber cahaya yang koheren, yang diharapkan menghasilkan pulsa laser subperiodik attodetik berkualitas tinggi pada ukuran meja, yang akan berdampak penting pada spektroskopi attodetik pada jaringan dan sel hidup, manipulasi dan diagnosis molekuler ultracepat, metrologi dinamika attodetik elektronik, dan pemrosesan sinyal frekuensi ultratinggi dari frekuensi beat-hertz, dan penelitian terapan lainnya. Selain itu, karya ini telah mengembangkan program komputasi paralel pertama untuk radiasi koheren domain waktu medan jauh di Tiongkok, memecahkan masalah kemacetan dispersi numerik dan kebisingan transformasi medan dekat dan jauh dalam metode simulasi tradisional, dan mewujudkan waktu yang tinggi -simulasi radiasi frekuensi tinggi yang konsisten dan diselesaikan secara mandiri, serta menyediakan metode teknologi baru untuk pengembangan sumber radiasi koheren baru.
Hasil ini merupakan terobosan penting lainnya dalam pembangkitan radiasi koheren yang digerakkan oleh berkas elektron yang dibuat oleh tim peneliti fisika kepadatan energi tinggi dari Universitas Teknologi Shenzhen, setelah publikasi pada bulan Desember 2021 dan Mei 2023 di Physical Review Letters. Perlu disebutkan bahwa para ilmuwan Portugis mengusulkan mekanisme dan skema fisik serupa hampir bersamaan dengan tim, dan pekerjaan terkait diterima oleh Nature Photonics, sebuah jurnal di bawah Nature.
Penelitian ini didanai dan didukung oleh Program Penelitian dan Pengembangan Utama Kementerian Sains dan Teknologi Tiongkok, National Natural Science Foundation of China (NSFC), Program Pendirian Laboratorium Utama Shenzhen, dan Program Dana Pemuda Luar Biasa Shenzhen. Pekerjaan simulasi dilakukan pada platform simulasi superkomputer yang hampir triliun kali/detik di Pusat Penelitian Teknologi Pengujian Material Lanjutan Universitas Teknologi Shenzhen.