Una nuova fonte di radiazioni terahertz (THz) intense, che potrebbe offrire un'alternativa meno dannosa ai raggi X e ha un forte potenziale per l'uso nell'industria, è stato sviluppato da scienziati dell'Università di Strathclyde e della Capital Normal University di Pechino.

A differenza della luce visibile, La radiazione THz penetra in materiali come plastica, cartone, legno e materiali compositi, rendendolo un eccellente sostituto dei raggi X dannosi utilizzati nell'imaging, e sicurezza.

Sebbene sia ben noto che le onde elettromagnetiche THz possono trasportare comunicazioni a banda ultralarga, di gran lunga superiori a quelli del Wi-Fi, è meno noto che sia una sonda molto utile per rilevare molecole e analizzare semiconduttori.

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Dino Jaroszynski, del Dipartimento di Fisica di Strathclyde, ha dimostrato sperimentalmente che grappoli di elettroni relativistici con carica senza precedenti possono essere prodotti da un acceleratore di wakefield laser (LWFA). Questi sono prodotti in aggiunta al consueto ad alta energia, raggi a bassa carica che vengono emessi.

Il team ha dimostrato che quando un intenso impulso laser ultracorto viene focalizzato nel gas elio, si forma una bolla di plasma che si muove quasi alla velocità della luce. Questi fasci di elettroni ad alta carica sono distinti dai soliti a bassa carica (picocoloumb), ad alta energia (da 100s MeV a GeV), fasci di elettroni della durata di femtosecondi che sono comunemente osservati dal LWFA.

La ricerca è stata pubblicata su Nuovo Giornale di Fisica .

Professor Jaroszynski, Direttore dello Scottish Centre for the Application Plasma-based Accelerators (SCAPA), chi ha avviato il progetto, ha dichiarato:"Si tratta di un'efficienza senza precedenti a queste energie THz. La crescente disponibilità di sorgenti THz intense porterà a strade completamente nuove nella scienza e nella tecnologia.

"Nuovi strumenti per gli scienziati portano a nuovi progressi. L'interazione dell'intensa radiazione THz con la materia consente l'accesso a processi non lineari, che consente l'identificazione di fenomeni normalmente nascosti, e anche il controllo unico della materia, come l'allineamento di molecole utilizzando campi ad alto THz o la distorsione della struttura a bande nei semiconduttori.

"SCAPA fornisce un ambiente ideale per studiare questi fenomeni, che dovrebbe portare a nuovi progressi nella scienza. I nostri studi teorici sono i primi passi in questa nuova entusiasmante direzione".

Dott. Enrico Brunetti, del Dipartimento di Fisica di Strathclyde, ha effettuato la maggior parte delle simulazioni della ricerca. Ha detto:"Poiché la carica dei fasci grandangolari aumenta linearmente con l'intensità del laser e la densità del plasma, l'energia della radiazione THz si ridimensionerà a livelli di milijoule, che renderebbe un'intensa sorgente di radiazioni THz con potenze di picco superiori a GW, che è paragonabile a quella di un laser a elettroni liberi nel lontano infrarosso. È possibile raggiungere un'efficienza di conversione da ottica a terahertz dell'ordine dell'1%."

Dottor Xue Yang, ricercatore nel progetto della Capital Normal University, disse:"Quando gli elettroni attraversano un'interfaccia tra due mezzi di diversa costante dielettrica, la radiazione di transizione viene emessa su un'ampia gamma di frequenze.

"Le simulazioni mostrano che i fasci di elettroni grandangolari emessi dagli acceleratori laser-wakefield possono produrre radiazione terahertz coerente con energia da 10s µJ a 100s µJ quando vengono fatti passare attraverso una sottile lamina di metallo o al confine plasma-vuoto dell'acceleratore".

La radiazione THz è una radiazione elettromagnetica nel lontano infrarosso che ha una frequenza compresa tra 0,1 THz e 10 THz (1 THz =10^12 Hz), che si colloca tra gli spettri del medio infrarosso e delle microonde. Le impronte digitali spettrali vibrazionali e rotazionali di grandi molecole coincidono con la banda THz, che rende la spettroscopia THz un potente strumento per l'identificazione di sostanze pericolose, come droghe ed esplosivi. Inoltre, La radiazione THz è importante per la biologia e la medicina perché molte macromolecole biologiche, come DNA e proteine, hanno il loro moto collettivo alle frequenze THz.

La radiazione THz può essere utilizzata anche per scoprire le complessità dei semiconduttori e delle nanostrutture, e quindi sono strumenti importanti per lo sviluppo di nuovi dispositivi elettromeccanici e celle solari.

Esistono molti metodi diversi per generare radiazioni THz, compreso il pilotaggio di fotocorrenti nelle antenne a semiconduttore, eccitazione di pozzi quantistici e rettifica ottica in cristalli elettro-ottici. Però, la loro potenza massima è limitata a causa del danneggiamento dei materiali ottici ad alte potenze. Plasma, in contrasto, non ha tale limitazione, come è già rotto

La nuova ricerca mostra che questi ad alta carica-nanocoloumb-, ed energia relativamente bassa (MeV), fasci di elettroni di durata inferiore a picosecondi vengono emessi in un cono cavo con un angolo di apertura di circa 45 gradi rispetto all'asse del raggio laser. I ricercatori mostrano che l'energia laser può essere trasferita in modo efficiente a un impulso molto intenso di radiazione THz.