Un gruppo di ricerca dell'Università ITMO e dell'Università di Rochester (Stati Uniti) ha condotto uno studio sulla formazione di radiazioni terahertz nei liquidi. In precedenza, la generazione di tale radiazione in un mezzo liquido era considerata impossibile a causa dell'elevato assorbimento. Però, nella loro nuova ricerca, gli scienziati hanno descritto la natura fisica di questo fenomeno e hanno dimostrato che le sorgenti di radiazioni liquide possono essere altrettanto efficaci di quelle tradizionali. I risultati sono stati pubblicati in Lettere di fisica applicata .

La radiazione elettromagnetica Terahertz può facilmente passare attraverso la maggior parte dei materiali ad eccezione dei metalli e dell'acqua. Oggi, è ampiamente utilizzato nei sistemi di sicurezza utilizzati per rilevare droghe e armi illecite, anche per la ricerca biomedica. La maggior parte delle ricerche moderne che coinvolgono la radiazione terahertz si concentra sulla ricerca di nuovi, più stabile, fonti potenti ed efficienti.

Le fonti più comuni di radiazioni terahertz sono i materiali solidi. Inoltre, esistono sorgenti basate sulla filazione laser a femtosecondi in aria e gas. In questo caso, un potente raggio laser crea un plasma nel mezzo gassoso ionizzandolo in modo che gli elettroni liberi generino radiazione elettromagnetica terahertz. Sebbene fare lo stesso in un mezzo liquido fosse finora considerato impossibile a causa dell'elevato assorbimento, un team di ricerca internazionale dell'Università ITMO e dell'Università di Rochester ha mostrato il contrario. Il loro nuovo studio ha rivelato che il liquido, infatti, presenta una serie di vantaggi rispetto ad altre fonti come i gas.

"Fino a quando il nostro collega, Prof. Xi-Cheng Zhang, era stato in grado di rilevare radiazioni terahertz in un liquido, si credeva impossibile. Ma abbiamo dimostrato che, in termini di efficienza, le sorgenti liquide possono avvicinarsi alle sorgenti allo stato solido, che ora sono considerati lo standard. Inoltre, i liquidi sono molto più facili da ottenere rispetto ai cristalli. Possono anche sopportare un'elevata energia di pompaggio, che permette di ottenere una resa migliore, " spiega Anton Tsypkin, Responsabile del Laboratorio di Ottica dei Femtosecondi e Femtotecnologie presso l'Università ITMO.

Generalmente, la radiazione viene generata a causa del rilascio di elettroni liberi eccitati durante la filamentazione. Più elettroni possono essere eccitati o ionizzati, più forte sarà la radiazione terahertz in uscita. Il numero di elettroni eccitati di una molecola dipende dall'energia spesa per l'eccitazione o il "pompaggio" del mezzo. La differenza tra le energie di "pompaggio" richieste nel gas e nel liquido è piccola. Allo stesso tempo, la densità delle molecole in un liquido è molto più alta che in un gas, in modo che un'energia di pompa comparabile rende possibile eccitare più elettroni e rendere più forte la radiazione.

Gli scienziati hanno studiato la direzione della radiazione terahertz nel liquido. Gli esperimenti sono stati condotti in parallelo in due università in modo da eliminare gli errori. Quindi, gli scienziati hanno verificato i risultati ottenuti in modo indipendente e hanno lavorato insieme su un modello teorico per spiegarli. Di conseguenza, sono riusciti a elaborare e convalidare fisicamente i modelli di radiazione della radiazione terahertz in un liquido e la sua dipendenza dall'angolo con cui il liquido si scontra con la radiazione della pompa. Secondo i ricercatori, questi risultati saranno utilizzati in lavori futuri.

"Un inconveniente significativo del fluido è il suo grande assorbimento. Intendiamo risolvere questo problema ottimizzando il tipo di fluido, la forma del getto, la potenza della pompa e una serie di altri parametri. Vogliamo trovare sperimentalmente i parametri ottimali per la generazione di radiazioni in diversi liquidi, nonché sviluppare un modello teorico basato su questi dati. Può essere utilizzato per creare un dispositivo prototipo che ci consentirà di produrre diversi tipi di radiazioni terahertz da liquidi, "dice Xi-Cheng Zhang, co-direttore dell'International Institute Photonics and Optical Informatics presso ITMO University, e ricercatore presso l'Università di Rochester.