Xi-Cheng Zhang ha lavorato per quasi un decennio per risolvere un enigma scientifico che molti nella comunità di ricerca credevano impossibile:produrre onde terahertz, una forma di radiazione elettromagnetica nella gamma di frequenze del lontano infrarosso, dall'acqua liquida.

Ora, come riportato in un articolo pubblicato su Lettere di fisica applicata , ricercatori dell'Università di Rochester hanno "reso l'impossibile, possibile, "dice Zhang, il professore di ottica M. Parker Givens. "Capire come generare onde terahertz dall'acqua liquida è un passo avanti fondamentale perché l'acqua è un elemento così importante nel corpo umano e sulla Terra".

Le onde terahertz hanno recentemente attirato maggiore attenzione a causa della loro capacità di passare in modo non distruttivo attraverso oggetti solidi, compresi quelli di stoffa, carta, Di legno, plastica, e ceramiche, e produrre immagini degli interni degli oggetti. Inoltre, l'energia di un fotone terahertz è più debole di un fotone a raggi X. A differenza dei raggi X, Le onde terahertz non sono ionizzanti, non hanno energia sufficiente per rimuovere un elettrone da un atomo, quindi non hanno gli stessi effetti dannosi sui tessuti umani e sul DNA.

A causa di queste capacità, Le onde terahertz hanno applicazioni uniche nell'imaging e nella spettroscopia:tutto, dalla scoperta di bombe in pacchetti sospetti, per identificare murales nascosti sotto strati di vernice, per rilevare la carie.

"Le onde terahertz hanno la capacità di vedere attraverso i vestiti, ecco perché hai questi body scanner sub-terahertz negli aeroporti, " dice Zhang. "Queste onde possono aiutare a identificare se un oggetto è esplosivo, chimico, o biologico, anche se non possono dire esattamente quale sia l'oggetto."

Il gruppo di ricerca di Zhang utilizza i laser per generare impulsi terahertz tramite l'interazione con un bersaglio. In questo caso, l'obiettivo è un film d'acqua estremamente sottile - circa 200 micron o circa lo spessore di due pezzi di carta - creato usando acqua sospesa per tensione superficiale tra due fili di alluminio. I ricercatori puntano un laser nel film d'acqua, che funge da emettitore per l'emissione di radiazioni terahertz.

Precedenti ricercatori hanno generato onde terahertz da bersagli di cristalli solidi, metalli, plasma d'aria, e vapore acqueo, ma, fino ad ora, l'acqua liquida si è rivelata sfuggente.

"L'acqua era considerata nemica delle onde terahertz a causa del forte assorbimento dell'acqua, "Dice Zhang. "Abbiamo sempre cercato di evitare l'acqua, ma è una fonte terahertz sorprendentemente efficiente."

Infatti, quando i ricercatori hanno misurato le onde terahertz generate dall'acqua, hanno scoperto che erano 1,8 volte più forti delle onde terahertz generate dal plasma d'aria in condizioni sperimentali comparabili.

Poiché l'acqua è un assorbente così forte, però, molte persone nella comunità di ricerca credevano che sarebbe stato impossibile usare l'acqua come bersaglio. Lo stesso Zhang ha passato anni a tentare una soluzione, e trovò un altrettanto fedele in Qi Jin, ora un dottorando in ottica a Rochester, e l'autore principale dell'articolo.

"Quasi tutti pensavano che non saremmo stati in grado di ricevere un segnale dall'acqua, " dice Jin. "All'inizio, Nemmeno io ci credevo".

Una delle sfide era creare un film d'acqua abbastanza sottile da non assorbire i fotoni terahertz generati dal raggio laser, ma abbastanza spesso da resistere all'energia del laser.

Insieme a Yiwen E, un associato post-dottorato nel gruppo di ricerca di Zhang, Jin ha trascorso mesi a ottimizzare lo spessore del film d'acqua e l'angolo di incidenza, intensità, e la durata dell'impulso del raggio laser.

"Abbiamo aumentato un po' lo spessore dell'acqua, e gradualmente aumentato il laser, e ho continuato a provare finché non siamo riusciti a farlo funzionare, " dice Jin. "L'acqua è una delle risorse più ricche della Terra, quindi era davvero importante per noi essere in grado di generare queste onde dall'acqua. Ci sono state molte volte che ho voluto rinunciare a questo, ma le persone in laboratorio continuavano a incoraggiarmi".

Zhang è d'accordo:"Dico sempre ai miei studenti e ricercatori qui:se provi qualcosa, potresti non ottenere il risultato che volevi. Ma se non lo provi mai, sicuramente non lo capirai."