SZTU-forskerteamet oppdager ny mekanisme for koherent stråling i attosekundpulser

Nylig har teamet til Prof. Ruan Shuangchen og Prof. Zhou Cangtao fra Shenzhen University of Technology (SZUT) for første gang i verden foreslått et fysisk opplegg for å generere attosekundpulser og subcycle koherent optisk sjokk fra et superluminalt plasmahalefelt, og forklarte en ny mekanisme for å generere koherent stråling som er dominert av den kollektive virkningen av elektroner. Forskningsresultatene ble publisert i det beste internasjonale fysikktidsskriftet Physical Review Letters under tittelen "Coherent subcycle optical shock from a superluminal plasma wake". Adjunkt Hao Peng er den første forfatteren av artikkelen, og professorene Taiwu Huang, Cangtao Zhou og Shuangshen Ruan er de samme forfatterne.
Elektromagnetisk bølgestråling kan sees overalt i livene våre og er nært knyttet til livene våre, som sollys og lys i det synlige båndet, mobiltelefoner og WIFI-signaler i mikrobølgebåndet, fotolitografiske lyskilder i det ekstreme ultrafiolette båndet og røntgenstråler i høyenergibandet. Imidlertid er det meste av lyset i naturen ikke-koherent lys, som har komplekse frekvenser, svært bred romlig peking og kaotiske faser. Den første sammenhengende lyskilden, laseren, ble oppfunnet på 1960-tallet. For koherent lys, på grunn av koherensen til spektralkomponentene den inneholder, er faseforskjellen til hver komponent fast, slik at det er mulig å realisere modulasjonen og komprimeringen av lyspulser, for å oppnå en koherent lyskilde med en veldig kort varighet og svært høy toppeffekt.
Koherente lyskilder som lasere ble allestedsnærværende like etter introduksjonen, og viktige anvendelser av lasere kan finnes overalt, fra vitenskapelig forskning, industri og militæret til kommunikasjon, underholdning og kunst, så vel som i våre daglige liv. Utviklingen av laserteknologi og dens anvendelser har også gitt opphav til en rekke Nobelpriser, som 2018 Nobelprisen i fysikk tildelt Gerard Mourou og prof. Donna Strickland for oppfinnelsen av kvitrende pulslaserforsterkning, som har økt laseren. lysstyrke (krafttetthet) med omtrent 10 størrelsesordener, overstiger lysstyrken til sollys med omtrent 21 størrelsesordener; mens årets Nobelpris i fysikk ble tildelt Pierre Agostini, Ferenc Krausz og prof. Anne L'Huillier, oppfinnere av attosekundpulser av lys, som er korte nok til å fange bilder av den indre utviklingen av atomer og molekyler.

(a) Lyskilde i naturen; (b) Koherent lyskilde skapt av mennesker - laser; (c) Akustisk eksitasjon forårsaket av et supersonisk fly; (d) Skjematisk diagram av prinsippet for å generere eksitasjon ved strålingskilde.
Nøkkelen til generering av koherente lyskilder er faselåsing, det vil si at fasen mellom hver mikroskopiske partikkel involvert i strålingen er den samme, opprettelsen av laseren er basert på prinsippet om stimulert stråling fremsatt av Einstein , det vil si at antallet partikler reverserte atomer vil bli frigjort med den innfallende fotonfasen i samsvar med de innfallende fotonene til fotoner; og frielektronlaser, en slik megavitenskapelig enhet er basert på mikroaggregering av elektronstråleeffekten, som sikrer at bevegelsen til hvert elektron er i samme fase. I naturen finnes det en annen faselåsende mekanisme for bølger - eksitasjoner. For eksempel genereres akustiske eksitasjoner når et supersonisk fly reiser raskere enn lydhastigheten i luft, fordi fasefronten langs en bestemt vinkel (Cherenkov-vinkelen) er faselåst når lydbølgene som genereres av flyets hode i forskjellige øyeblikk spredt utover i en sfærisk bølgefront. Tilsvarende, hvis en strålingskilde tillates å overskride lysets hastighet, kan en ny type koherent elektromagnetisk bølgestråling, optisk eksitasjon, produseres. Det er imidlertid umulig å få den samme strålingskilden til å overstige lysets hastighet i et vakuum, fordi spesiell relativitetsteori forteller oss at bevegelsen til ethvert objekt ikke kan "overskride lysets hastighet".
I de siste årene har forskerteamet ved Shenzhen University of Technology aktivt fremmet byggingen av den første storskala superintense laser-omfattende eksperimentelle plattformen (høyeffekt nanosekund-picosecond-femtosecond laser device)-Chenguang-serien av enheter i innenlandske universiteter . En viktig forskningsretning for denne plattformen er å utvikle ny koherent strålingslyskilde og utføre relatert applikasjonsforskning. Nylig har teamet foreslått en ny koherent strålingsmekanisme basert på den kollektive virkningen av elektroner fra det grunnleggende prinsippet for koherent stråling: gjennom interaksjonen av en relativistisk elektronstråle med et plasma med en sakte varierende oppadgående tetthetsgradient, en plasmavakuole med gradvis avtagende størrelse kan stimuleres (størrelsen på vakuolen er negativt korrelert med tettheten til plasmaet), og plasmaelektroner i forskjellige posisjoner spretter tilbake ved enden av vakuolen og stråler ut ved enden av vakuolen, på grunn av den langsgående størrelsen på vakuolen. Plasmaelektronene på forskjellige steder spretter fra enden av boblen og stråler der. Når den langsgående størrelsen på boblen gradvis avtar, er den samlede hastigheten til halen større enn hastigheten til den drivende elektronstrålen (nær lysets hastighet), som oppnår tilstanden "superluminal", og dermed strålingen fra forskjellige elektroner generert her er koherent overlagret for å danne optiske eksitasjoner langs Cherenkov-vinkelen. Strålingslyskilden har veldig unike egenskaper: ikke bare pulsbredden er ekstremt kort, når attosekundskalaen, og intensiteten er veldig høy, proporsjonal med kvadratet på forplantningsavstanden, men har også utmerket romlig retningsevne, veldig liten vinkelspredning , stabil bærebølgeomhyllingsfase og ultrabredt frekvensinnstillingsområde.

(a) Skjematisk diagram av en relativistisk elektronstråle som treffer et plasma og genererer en optisk eksitasjonsbølge ved bakenden av en vakuole; (b) Optisk eksitasjonsbølgestråling ved bakenden av en superluminøs vakuole sett i en stor numerisk superdatabehandling.
Ovennevnte arbeid illustrerer en ny koherent strålingsmekanisme drevet av en elektronstråle, som bryter begrensningen til den klassiske koherente strålingsteorien som krever at elektronstrålestørrelsen er mye mindre enn strålingsbølgelengden. I mellomtiden gir dette arbeidet et enkelt og gjennomførbart fysisk eksperimentelt opplegg for koherent lyskildegenerering, som forventes å generere høykvalitets attosekunder subperiodiske laserpulser ved bordplatens størrelse, noe som vil ha en viktig innvirkning på attosekundspektroskopi av levende vev og celler, ultrarask molekylær manipulasjon og diagnose, elektronisk attosekunddynamikk-metrologi og ultrahøyfrekvent signalbehandling av beat-hertz-frekvensen og annen anvendt forskning. I tillegg har dette arbeidet utviklet det første parallelle databehandlingsprogrammet for fjernfelt tidsdomene koherent stråling i Kina, løst flaskehalsproblemene med numerisk spredning og nær- og fjernfeltstransformasjonsstøy i de tradisjonelle simuleringsmetodene, og realiserte høy tid -romsløst selvkonsistent simulering av høyfrekvent stråling, samt gitt en ny teknologisk metode for utvikling av nye koherente strålekilder.
Dette resultatet er nok et viktig gjennombrudd i elektronstråledrevet koherent strålingsgenerering laget av fysikkforskningsteamet med høy energitetthet ved Shenzhen University of Technology, etter publikasjonene fra desember 2021 og mai 2023 i Physical Review Letters. Det er verdt å nevne at portugisiske forskere foreslo en lignende fysisk mekanisme og opplegg nesten samtidig med teamet, og det relaterte arbeidet ble akseptert av Nature Photonics, et tidsskrift under Nature.
Denne forskningen ble finansiert og støttet av nøkkelforsknings- og utviklingsprogrammet til departementet for vitenskap og teknologi i Kina, National Natural Science Foundation of China (NSFC), Shenzhen Key Laboratory Establishment Program og Shenzhen Outstanding Youth Fund Program. Simuleringsarbeidet ble utført på nesten trillioner ganger/sekund supercomputing-simuleringsplattformen til Advanced Materials Testing Technology Research Center ved Shenzhen University of Technology.