Výzkumný tým SZTU objevuje nový mechanismus koherentního záření v attosekundových pulzech

Nedávno tým Prof. Ruana Shuangchena a Prof. Zhou Cangtao z Shenzhen University of Technology (SZUT) poprvé na světě navrhl fyzikální schéma pro generování attosekundových pulzů a subcyklického koherentního optického šoku z ocasního pole superluminální plazmy, a vysvětlil nový mechanismus pro generování koherentního záření, kterému dominuje kolektivní působení elektronů. Výsledky výzkumu byly publikovány ve špičkovém mezinárodním fyzikálním časopise Physical Review Letters pod názvem „Koherentní subcyklový optický šok z brázdy nadsvětelné plazmy“. Pomocný profesor Hao Peng je prvním autorem článku a profesoři Taiwu Huang, Cangtao Zhou a Shuangshen Ruan jsou spoluodpovídajícími autory.
Záření elektromagnetických vln můžeme vidět všude v našem životě a úzce souvisí s našimi životy, jako je sluneční světlo a světla ve viditelném pásmu, mobilní telefony a WIFI signály v mikrovlnném pásmu, fotolitografické světelné zdroje v extrémním ultrafialovém pásmu a rentgenové záření. ve vysokoenergetickém pásmu. Většina světla v přírodě je však nekoherentní světlo, které má složité frekvence, velmi široké prostorové ukazování a chaotické fáze. První koherentní zdroj světla, laser, byl vynalezen v 60. letech 20. století. Pro koherentní světlo je kvůli koherenci spektrálních složek, které obsahuje, fázový rozdíl každé složky pevný, takže je možné realizovat modulaci a kompresi světelných pulzů tak, aby se získal koherentní světelný zdroj s velmi krátkým trvání a velmi vysoký špičkový výkon.
Koherentní světelné zdroje, jako jsou lasery, se staly všudypřítomné brzy po svém zavedení a důležité aplikace laserů lze nalézt všude, od vědeckého výzkumu, průmyslu a armády po komunikaci, zábavu a umění, stejně jako v našem každodenním životě. Vývoj laserové technologie a jejích aplikací daly vzniknout také řadě Nobelových cen, jako je Nobelova cena za fyziku za rok 2018 udělená Gerardu Mourouovi a profesorce Donně Stricklandové za vynález laserového zesílení cvrlikání pulzů, které zvýšilo laserové jas (hustota výkonu) asi o 10 řádů, převyšující jas slunečního světla asi o 21 řádů; zatímco letošní Nobelovu cenu za fyziku získali Pierre Agostini, Ferenc Krausz a prof. Anne L'Huillier, vynálezci attosekundových pulzů světla, které jsou dostatečně krátké na to, aby pořídily snímky vnitřního vývoje atomů a molekul.

a) Světelný zdroj v přírodě; (b) zdroj koherentního světla vytvořený člověkem – laser; (c) Akustické buzení způsobené nadzvukovým letounem; (d) Schematické schéma principu generování buzení zdrojem záření.
Klíčem ke generování koherentních světelných zdrojů je fázový zámek, to znamená, že fáze mezi každou mikroskopickou částicí zapojenou do záření je stejná, vytvoření laseru je založeno na principu stimulovaného záření předloženého Einsteinem. to znamená, že počet reverzních atomů částic se uvolní s dopadající fotonovou fází konzistentní s dopadajícími fotony fotonů; a laserem s volnými elektrony je takové megavědecké zařízení založeno na mikroagregaci paprsku elektronů paprskový efekt, který zajišťuje, že pohyb každého elektronu je ve stejné fázi. V přírodě existuje další mechanismus fázového závěsu pro vlny - excitace. Například akustické excitace vznikají, když nadzvukové letadlo cestuje rychleji, než je rychlost zvuku ve vzduchu, protože fázová fronta podél určitého úhlu (Čerenkovův úhel) je fázově uzamčena, když zvukové vlny generované hlavou letadla v různých okamžicích. rozprostřeny směrem ven v kulovitém čelu vlny. Podobně, pokud je zdroji záření dovoleno překročit rychlost světla, lze vytvořit nový typ koherentního záření elektromagnetických vln, optické buzení. Je však nemožné, aby stejný zdroj záření překročil rychlost světla ve vakuu, protože speciální teorie relativity nám říká, že pohyb jakéhokoli objektu nemůže „překročit rychlost světla“.
V posledních letech výzkumný tým Shenzhen University of Technology energicky prosazuje výstavbu první rozsáhlé superintenzivní laserové komplexní experimentální platformy (vysoce výkonné nanosekundové-pikosekundové-femtosekundové laserové zařízení) – řada zařízení Chenguang na tuzemských univerzitách . Důležitým výzkumným směrem této platformy je vývoj nového zdroje koherentního záření a provádění souvisejícího aplikačního výzkumu. Nedávno tým navrhl nový koherentní radiační mechanismus založený na kolektivním působení elektronů ze základního principu koherentního záření: interakcí relativistického elektronového paprsku s plazmatem s pomalu se měnícím gradientem hustoty směrem nahoru, plazmatická vakuola postupně zmenšující se velikost může být stimulována (velikost vakuoly negativně koreluje s hustotou plazmy) a elektrony plazmy v různých polohách se odrážejí na konci vakuoly a vyzařují na konci vakuoly v důsledku podélné velikosti vakuola. Plazmové elektrony na různých místech se odrážejí od konce bubliny a tam vyzařují. Jak se podélná velikost bubliny postupně zmenšuje, kolektivní rychlost jejího ocasu je větší než rychlost hnacího elektronového paprsku (blízká rychlosti světla), čímž je dosaženo stavu „superluminální“, a tím i vyzařování různé elektrony zde generované jsou koherentně superponovány za vzniku optických excitací podél Čerenkovova úhlu. Zdroj záření má velmi unikátní vlastnosti: nejen šířka pulzu je extrémně krátká, dosahuje attosekundové stupnice a intenzita je velmi vysoká, úměrná druhé mocnině vzdálenosti šíření, ale má také vynikající prostorovou směrovost, velmi malý úhlový rozptyl , stabilní fáze nosné obálky a ultra široký frekvenční rozsah ladění.

(a) Schematický diagram relativistického elektronového paprsku dopadajícího na plazma a generujícího optickou excitační vlnu na zadním konci vakuoly; (b) Optické záření excitační vlny na zadním konci superluminiscenční vakuoly, jak je vidět ve velké superpočítačové numerické simulaci.
Výše uvedená práce ilustruje nový mechanismus koherentního záření poháněný elektronovým paprskem, který narušuje omezení klasické teorie koherentního záření, která vyžaduje, aby velikost svazku elektronů byla mnohem menší než vlnová délka záření. Mezitím tato práce poskytuje jednoduché a proveditelné fyzikální experimentální schéma pro generování koherentního zdroje světla, od kterého se očekává, že bude generovat vysoce kvalitní attosekundové subperiodické laserové pulsy o velikosti desky stolu, což bude mít důležitý dopad na attosekundovou spektroskopii živých tkání a buněk, ultrarychlá molekulární manipulace a diagnostika, metrologie elektronické attosekundové dynamiky a ultravysokofrekvenční zpracování signálu o frekvenci tep-hertz a další aplikovaný výzkum. Kromě toho tato práce vyvinula první paralelní výpočetní program pro koherentní záření v časové doméně vzdáleného pole v Číně, vyřešila problémy numerického rozptylu a šumu transformace blízkého a vzdáleného pole v tradičních simulačních metodách a realizovala vysokou dobu -prostorově rozlišená autokonzistentní simulace vysokofrekvenčního záření a také poskytla novou technologickou metodu pro vývoj nových koherentních zdrojů záření.
Tento výsledek je dalším důležitým průlomem v generování koherentního záření řízeného elektronovým paprskem, který provedl výzkumný tým fyziky s vysokou energetickou hustotou z Technické univerzity v Shenzhenu po publikacích z prosince 2021 a května 2023 ve Physical Review Letters. Stojí za zmínku, že portugalští vědci navrhli podobný fyzikální mechanismus a schéma téměř současně s týmem a související práce byla přijata Nature Photonics, časopisem Nature.
Tento výzkum byl financován a podporován Programem klíčového výzkumu a vývoje Ministerstva pro vědu a technologii Číny, Čínskou národní nadací pro přírodní vědy (NSFC), Programem založení klíčových laboratoří v Shenzhenu a Programem fondu pro vynikající mládež Shenzhen. Simulační práce byly provedeny na superpočítačové simulační platformě téměř bilionkrát za sekundu ve Výzkumném centru pokročilé technologie testování materiálů na Shenzhen University of Technology.