SZTU Araştırma Ekibi Attosaniye Darbelerinde Yeni Tutarlı Radyasyon Mekanizmasını Keşfetti

Son zamanlarda, Shenzhen Teknoloji Üniversitesi'nden (SZUT) Prof. Ruan Shuangchen ve Prof. Zhou Cangtao'dan oluşan ekip, dünyada ilk kez, süperlüminal bir plazma kuyruk alanından attosaniye darbeleri ve alt döngü tutarlı optik şok üretmek için fiziksel bir şema önerdi. ve elektronların kolektif eyleminin hakim olduğu tutarlı radyasyon üretmek için yeni bir mekanizmayı açıkladı. Araştırma sonuçları, önde gelen uluslararası fizik dergisi Physical Review Letters'da "Süperluminal plazma izinden tutarlı alt döngü optik şoku" başlığı altında yayınlandı. Yardımcı Doçent Hao Peng makalenin ilk yazarıdır ve Profesörler Taiwu Huang, Cangtao Zhou ve Shuangshen Ruan ortak yazarlardır.
Elektromanyetik dalga radyasyonu, görünür banttaki güneş ışığı ve ışıklar, mikrodalga bandındaki cep telefonları ve WIFI sinyalleri, aşırı ultraviyole banttaki fotolitografi ışık kaynakları ve X ışınları gibi hayatımızın her yerinde görülebilen ve hayatımızla yakından ilgilidir. yüksek enerji bandında. Ancak doğadaki ışığın çoğu, karmaşık frekanslara, çok geniş uzaysal işaretlere ve kaotik aşamalara sahip, tutarlı olmayan ışıktır. İlk tutarlı ışık kaynağı olan lazer 1960'larda icat edildi. Tutarlı ışık için, içerdiği spektral bileşenlerin tutarlılığı nedeniyle, her bileşenin faz farkı sabittir, böylece ışık darbelerinin modülasyonunu ve sıkıştırılmasını gerçekleştirmek mümkün olur, böylece çok kısa bir aralıkta tutarlı bir ışık kaynağı elde edilir. süresi ve çok yüksek tepe gücü.
Lazerler gibi tutarlı ışık kaynakları, piyasaya sürüldükten kısa bir süre sonra her yerde bulunur hale geldi ve lazerlerin önemli uygulamaları bilimsel araştırma, endüstri ve ordudan iletişime, eğlenceye ve sanata kadar her yerde ve ayrıca günlük yaşamlarımızda bulunabilir. Lazer teknolojisinin ve uygulamalarının gelişimi, aynı zamanda, lazeri artıran cıvıl cıvıl nabız lazer amplifikasyonunun icadı nedeniyle Gerard Mourou ve Prof. Donna Strickland'a verilen 2018 Nobel Fizik Ödülü gibi bir dizi Nobel Ödülünün de ortaya çıkmasına neden oldu. parlaklık (güç yoğunluğu) yaklaşık 10 büyüklük mertebesinde, güneş ışığının parlaklığını yaklaşık 21 büyüklük mertebesinde aşıyor; bu yılın Nobel Fizik Ödülü ise atomların ve moleküllerin iç evriminin görüntülerini yakalamaya yetecek kadar kısa olan attosaniyelik ışık darbelerinin mucitleri Pierre Agostini, Ferenc Krausz ve Prof. Anne L'Huillier'e verildi.

(a) Doğadaki ışık kaynağı; (b) İnsan tarafından oluşturulan tutarlı ışık kaynağı - lazer; (c) Süpersonik uçağın neden olduğu akustik uyarım; (d) Radyasyon kaynağıyla uyarım üretme ilkesinin şematik diyagramı.
Tutarlı ışık kaynaklarının üretilmesinin anahtarı faz kilitlemedir, yani radyasyona dahil olan her mikroskobik parçacık arasındaki faz aynı olur, lazerin yaratılması Einstein tarafından öne sürülen uyarılmış radyasyon ilkesine dayanır. yani, fotonların gelen fotonlarıyla tutarlı olarak gelen foton fazıyla birlikte salınacak olan ters atom parçacıklarının sayısı; ve serbest elektron lazeri gibi mega bilimsel bir cihaz, her elektronun hareketinin aynı fazda olmasını sağlayan elektron ışın demetinin etkisinin mikro toplanmasına dayanmaktadır. Doğada dalgalar için başka bir faz kilitleme mekanizması daha vardır; uyarılmalar. Örneğin, süpersonik bir uçak havadaki ses hızından daha hızlı hareket ettiğinde akustik uyarımlar üretilir, çünkü belirli bir açı (Çerenkov açısı) boyunca faz cephesi, uçağın kafası tarafından farklı anlarda üretilen ses dalgaları olduğunda faz kilitlenir. küresel bir dalga cephesinde dışarıya doğru yayılır. Benzer şekilde, eğer bir radyasyon kaynağının ışık hızını aşmasına izin verilirse, yeni bir tür tutarlı elektromanyetik dalga radyasyonu, optik uyarım üretilebilir. Ancak aynı radyasyon kaynağının boşlukta ışık hızını aşmasını sağlamak imkansızdır çünkü özel görelilik bize herhangi bir nesnenin hareketinin "ışık hızını geçemeyeceğini" söyler.
Son yıllarda, Shenzhen Teknoloji Üniversitesi'nin araştırma ekibi, yerli üniversitelerdeki ilk büyük ölçekli süper yoğun lazer kapsamlı deney platformunun (yüksek güçlü nanosaniye-pikosaniye-femtosaniye lazer cihazı)-Chenguang serisi cihazların yapımını güçlü bir şekilde destekliyor. . Bu platformun önemli bir araştırma yönü, yeni tutarlı radyasyon ışık kaynağı geliştirmek ve ilgili uygulama araştırmalarını yürütmektir. Son zamanlarda ekip, tutarlı radyasyonun temel prensibinden elektronların kolektif hareketine dayanan yeni bir tutarlı radyasyon mekanizması önerdi: göreceli bir elektron ışınının, yavaş yavaş değişen yukarı doğru yoğunluk gradyanına sahip bir plazma ile etkileşimi yoluyla, kademeli olarak bir plazma vakuolü. boyutun küçülmesi uyarılabilir (vakuolün boyutu, plazmanın yoğunluğuyla negatif ilişkilidir) ve farklı pozisyonlardaki plazma elektronları, vakuolün sonunda geri döner ve vakuolün uzunlamasına boyutundan dolayı vakuolün sonunda yayılır. vakuol. Farklı konumlardaki plazma elektronları baloncuğun ucundan seker ve oraya yayılır. Balonun uzunlamasına boyutu kademeli olarak azaldıkça, kuyruğunun kolektif hızı, "süper-lüminal" durumuna ulaşan, hareket eden elektron ışınının hızından (ışık hızına yakın) daha büyüktür ve dolayısıyla radyasyonlar burada üretilen farklı elektronlar, Çerenkov açısı boyunca optik uyarılmalar oluşturmak üzere tutarlı bir şekilde üst üste bindirilir. Radyasyon ışık kaynağı çok benzersiz özelliklere sahiptir: yalnızca darbe genişliği son derece kısa değildir, attosaniye ölçeğine ulaşır ve yoğunluk, yayılma mesafesinin karesiyle orantılı olarak çok yüksektir, aynı zamanda mükemmel uzaysal yönelime ve çok küçük açısal dağılıma sahiptir. , kararlı taşıyıcı zarf fazı ve ultra geniş frekans ayarlama aralığı.

(a) Bir plazmaya çarpan ve bir vakuolün kuyruk ucunda bir optik uyarma dalgası üreten göreceli bir elektron ışınının şematik diyagramı; (b) Büyük bir süper hesaplamalı sayısal simülasyonda görüldüğü gibi, süper parlak bir kofulun kuyruk ucundaki optik uyarma dalgası radyasyonu.
Yukarıdaki çalışma, elektron ışınının boyutunun radyasyon dalga boyundan çok daha küçük olmasını gerektiren klasik tutarlı radyasyon teorisinin sınırlamasını kıran, bir elektron ışınıyla tahrik edilen yeni bir tutarlı radyasyon mekanizmasını göstermektedir. Bu arada, bu çalışma, canlı dokuların ve hücrelerin attosaniye spektroskopisi üzerinde önemli bir etkiye sahip olacak, masaüstü boyutunda yüksek kaliteli attosaniye altı periyodik lazer darbeleri üretmesi beklenen tutarlı ışık kaynağı üretimi için basit ve uygulanabilir bir fiziksel deney şeması sağlar. ultra hızlı moleküler manipülasyon ve teşhis, elektronik attosaniye dinamiği metrolojisi ve beat-hertz frekansının ultra yüksek frekanslı sinyal işlemesi ve diğer uygulamalı araştırmalar. Buna ek olarak, bu çalışma Çin'de uzak alan zaman alanı uyumlu radyasyon için ilk paralel hesaplama programını geliştirdi, geleneksel simülasyon yöntemlerinde sayısal dağılım ve yakın ve uzak alan dönüşüm gürültüsünün darboğaz problemlerini çözdü ve yüksek zaman farkını gerçekleştirdi. Yüksek frekanslı radyasyonun uzay çözümlü, kendi kendine tutarlı simülasyonu ve aynı zamanda yeni tutarlı radyasyon kaynaklarının geliştirilmesi için yeni bir teknolojik yöntem sağladı.
Bu sonuç, Fiziksel İnceleme Mektupları'ndaki Aralık 2021 ve Mayıs 2023 yayınlarının ardından Shenzhen Teknoloji Üniversitesi'nin yüksek enerji yoğunluğu fizik araştırma ekibi tarafından elektron ışını güdümlü tutarlı radyasyon üretiminde yapılan bir başka önemli atılımdır. Portekizli bilim adamlarının benzer bir fiziksel mekanizma ve şemayı ekiple neredeyse eş zamanlı olarak önerdiğini ve ilgili çalışmanın Nature dergisinin Nature Photonics dergisi tarafından kabul edildiğini belirtmekte fayda var.
Bu araştırma, Çin Bilim ve Teknoloji Bakanlığının Temel Araştırma ve Geliştirme Programı, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (NSFC), Shenzhen Önemli Laboratuvar Kurulum Programı ve Shenzhen Üstün Gençlik Fonu Programı tarafından finanse edilmiş ve desteklenmiştir. Simülasyon çalışması, Shenzhen Teknoloji Üniversitesi Gelişmiş Malzeme Testi Teknoloji Araştırma Merkezi'nin neredeyse trilyon kez/saniye süper hesaplama simülasyon platformunda yapıldı.