Uma nova fonte de intensa radiação terahertz (THz), que poderia oferecer uma alternativa menos prejudicial aos raios-X e tem forte potencial para uso na indústria, está sendo desenvolvido por cientistas da Universidade de Strathclyde e da Capital Normal University em Pequim.

Ao contrário da luz visível, A radiação THz penetra materiais como plástico, cartão, madeira e materiais compostos, tornando-o um excelente substituto para raios-X prejudiciais usados ​​em imagens, e segurança.

Embora seja bem conhecido que as ondas eletromagnéticas THz podem transportar comunicações de largura de banda ultra-alta, muito superior aos do Wi-Fi, é menos conhecido que é uma sonda altamente útil para detectar moléculas e analisar semicondutores.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Dino Jaroszynski, do Departamento de Física de Strathclyde, demonstrou experimentalmente que feixes de elétrons relativísticos de carga elevada sem precedentes podem ser produzidos por um acelerador de campo de vigília a laser (LWFA). Estes são produzidos além da alta energia usual, feixes de baixa carga que são emitidos.

A equipe mostrou que quando um pulso de laser ultracurto intenso é focado no gás hélio, forma-se uma bolha de plasma que se move quase à velocidade da luz. Esses feixes de elétrons de alta carga são distintos dos usuais de baixa carga (picocoloumb), alta energia (100s MeV a GeV), feixes de elétrons com duração de femtossegundo que são comumente observados no LWFA.

A pesquisa foi publicada no New Journal of Physics .

Professor Jaroszynski, Diretor do Scottish Centre for the Application Plasma-based Accelerators (SCAPA), quem iniciou o projeto, disse:"Esta é uma eficiência sem precedentes nessas energias THz. A crescente disponibilidade de fontes intensas de THz levará a avenidas completamente novas na ciência e tecnologia.

“Novas ferramentas para os cientistas levam a novos avanços. A interação da intensa radiação THz com a matéria permite o acesso a processos não lineares, que permite a identificação de fenômenos normalmente ocultos, e também controle único da matéria, como o alinhamento de moléculas usando campos de alto THz ou distorção da estrutura de banda em semicondutores.

"SCAPA fornece um ambiente ideal para investigar esses fenômenos, que deve levar a novos avanços na ciência. Nossos estudos teóricos são os primeiros passos nesta direção nova e estimulante. "

Dr. Enrico Brunetti, do Departamento de Física de Strathclyde, realizou a maioria das simulações na pesquisa. Ele disse:"Uma vez que a carga dos feixes de grande angular aumenta linearmente com a intensidade do laser e a densidade do plasma, a energia da radiação THz escalará para níveis de milijoule, o que faria uma fonte intensa de radiação THz com potências de pico superiores a GW, que é comparável ao de um laser de elétrons livres infravermelho distante. Uma eficiência de conversão óptica em terahertz da ordem de 1% pode ser alcançada. "

Dr. Xue Yang, pesquisador do projeto da Capital Normal University, disse:"Quando os elétrons cruzam uma interface entre dois meios de diferentes constantes dielétricas, a radiação de transição é emitida em uma ampla faixa de frequências.

"Simulações mostram que feixes de elétrons de grande angular emitidos por aceleradores de laser-wakefield podem produzir radiação terahertz coerente com energia de 10s µJ a 100s µJ quando passados ​​por uma folha de metal fina ou no limite de plasma-vácuo do acelerador."

A radiação THz é a radiação eletromagnética do infravermelho distante que tem uma frequência entre 0,1 THz e 10 THz (1 THz =10 ^ 12 Hz), que se encaixa entre os espectros de infravermelho médio e de microondas. As impressões digitais espectrais vibracionais e rotacionais de grandes moléculas coincidem com a banda THz, o que torna a espectroscopia THz uma ferramenta poderosa para identificar substâncias perigosas, como drogas e explosivos. Além disso, A radiação THz é importante para a biologia e a medicina porque muitas macromoléculas biológicas, como DNA e proteínas, têm seu movimento coletivo nas frequências THz.

A radiação THz também pode ser usada para descobrir os meandros de semicondutores e nanoestruturas, e, portanto, são ferramentas importantes para o desenvolvimento de novos dispositivos eletromecânicos e células solares.

Existem muitos métodos diferentes de geração de radiação THz, incluindo a condução de fotocorrentes em antenas semicondutoras, excitação de poços quânticos e retificação óptica em cristais eletro-ópticos. Contudo, sua potência máxima é restrita por causa de danos aos materiais ópticos em altas potências. Plasma, em contraste, não tem tal limitação, como já está quebrado

A nova pesquisa mostra que estes de alta carga - nanocoloumb-, e energia relativamente baixa (MeV), feixes de elétrons de duração sub-picossegundo são emitidos em um cone oco com um ângulo de abertura de quase 45 graus em relação ao eixo do feixe de laser. Os pesquisadores mostram que a energia do laser pode ser transferida de forma eficiente para um pulso muito intenso de radiação THz.