Ondas terahertz, conhecidas como radiação não ionizante, podem se transformar em radiação de ionização quando um número suficiente de fótons terahertz são focados no espaço e no tempo. Uma equipe liderada por cientistas da Coreia e dos EUA criou os pulsos terahertz mais intensos do mundo, que podem ionizar instantaneamente átomos e moléculas e convertê-los em plasma.



O estudo, publicado em Light:Science &Applications , discute a ionização por tunelamento acionada por terahertz, que abrirá o caminho para a física terahertz não linear e relativística extrema em plasmas.

Situada entre as regiões de microondas e infravermelho do espectro eletromagnético, a lacuna terahertz (1 THz =10¹² Hz) está sendo rapidamente fechada pelo desenvolvimento de novas fontes e detectores de terahertz, com aplicações promissoras em espectroscopia, imagem, detecção e comunicação.

Essas aplicações se beneficiam muito das fontes de terahertz que fornecem radiação de alta energia ou de alta potência média. Por outro lado, fontes terahertz de alta intensidade ou de campo forte são essenciais para observar ou explorar novas interações não lineares terahertz-matéria, onde as intensidades do campo elétrico e/ou magnético desempenham um papel fundamental.

A equipe de cientistas, liderada pelo Dr. Park, Maryland, EUA, criou os campos de terahertz mais fortes do mundo, de 260 megavolts por centímetro (MV/cm) ou intensidade de pico equivalente de 9 x 10¹³ watts por centímetro quadrado (W/cm²).

Este pico de intensidade ou intensidade de campo é o valor mais alto alcançado até agora em frequências terahertz (0,1 ~ 20 THz), incluindo todos os tipos de fontes terahertz utilizando lasers, lasers de elétrons livres, aceleradores e eletrônicos a vácuo.

Para produzir pulsos de terahertz de alta energia, os cientistas usaram um laser Ti:safira da classe de 150 terawatts para converter energia óptica em radiação terahertz (chamada retificação óptica) em niobato de lítio (LiNbO₃), um cristal que exibe fortes não linearidades e alta limites de dano. Em particular, eles usaram um wafer de niobato de lítio de grande diâmetro (75 mm), também dopado com 5% de óxido de magnésio (MgO), para produzir radiação terahertz com aumento de energia.

Para uma conversão eficiente da radiação óptica para a radiação terahertz, outro fator importante deve ser considerado:a correspondência de fase (ou velocidade). Os cientistas explicaram:“Se o pulso de laser óptico que gera radiação terahertz se propaga na mesma velocidade com as ondas terahertz geradas no niobato de lítio, então a energia terahertz de saída pode crescer continuamente com a distância de propagação.

"Convencionalmente, um método de frente de pulso inclinado é usado para satisfazer a correspondência de fase em um niobato de lítio em forma de prisma. Este método, no entanto, produz principalmente radiação terahertz de baixa frequência, normalmente com pico de menos de 1 THz, o que naturalmente leva a focos focais relativamente grandes tamanhos de ponto (~mm), limitando consequentemente a intensidade de campo de pico terahertz no foco."

A equipe encontrou anteriormente uma nova condição de correspondência de fase no niobato de lítio, que não requer nenhuma inclinação frontal do pulso. Eles observaram:"A velocidade das ondas terahertz é geralmente dependente da frequência e varia tão grande entre duas frequências de ressonância de fônons que existe uma frequência na qual os pulsos de terahertz e de laser se propagam na mesma velocidade.

"Isso ocorre em aproximadamente 15 THz para pulsos de laser Ti:safira com comprimento de onda central de 800 nm. Essa correspondência de fase tornou possível produzir ondas terahertz de nível de milijoule. Além disso, a radiação de 15 THz resultante pode ser fortemente focada, potencialmente produzindo fortes campos eletromagnéticos no foco."

Os cientistas determinaram cuidadosamente as intensidades máximas do campo elétrico e magnético, 260 ± 20 MV/cm e 87 ± 7 T no foco, medindo separadamente a energia terahertz, o tamanho do ponto focal e a duração do pulso.

"Um pulso terahertz tão intenso, quando focado em um meio gasoso ou sólido, pode ionizar os átomos ou moléculas constituintes e converter o meio em plasma. Como prova de princípio, demonstramos a ionização acionada por terahertz de vários alvos sólidos, incluindo metais, semicondutores e polímeros", enfatizaram.

"Nossa fonte de terahertz usa um cristal planar de niobato de lítio e é promissora para aumentar ainda mais a energia de saída e a intensidade do campo. Isso pode gerar campos terahertz superfortes (~ GV/cm)", acrescentaram.

Os cientistas acreditam que sua pesquisa abrirá novas oportunidades não apenas para estudar efeitos não lineares em plasmas produzidos em terahertz, mas também utilizar forças ponderomotivas acionadas por terahertz para várias aplicações, incluindo geração de harmônicos multi-keV terahertz e até mesmo estudar efeitos relativísticos por elétrons acelerados por terahertz. .