Le onde terahertz, note come radiazioni non ionizzanti, possono trasformarsi in radiazioni ionizzanti quando un numero sufficiente di fotoni terahertz vengono focalizzati nello spazio e nel tempo. Un team guidato da scienziati coreani e statunitensi ha creato gli impulsi terahertz più intensi al mondo in grado di ionizzare istantaneamente atomi e molecole e convertirli in plasma.
Lo studio, pubblicato su Light:Science &Applications , discute della ionizzazione tunneling guidata dai terahertz, che aprirà la strada alla fisica terahertz estrema non lineare e relativistica nei plasmi.
Situato tra le regioni delle microonde e degli infrarossi dello spettro elettromagnetico, il divario dei terahertz (1 THz =10¹² Hz) viene rapidamente colmato dallo sviluppo di nuove sorgenti e rilevatori terahertz, con applicazioni promettenti nella spettroscopia, nell'imaging, nel rilevamento e nella comunicazione.
Queste applicazioni traggono grandi vantaggi dalle sorgenti terahertz che forniscono radiazioni ad alta energia o con potenza media elevata. D'altra parte, le sorgenti terahertz ad alta intensità o a campo forte sono essenziali per osservare o sfruttare nuove interazioni non lineari terahertz-materia, in cui le intensità del campo elettrico e/o magnetico svolgono un ruolo chiave.
Il team di scienziati, guidato dal Dr. Chul Kang dell'Advanced Photonics Research Institute, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), Corea, e dal professor Ki-Yong Kim dell'Istituto di ricerca in elettronica e fisica applicata, Università del Maryland, College Park, Maryland, Stati Uniti, ha creato i campi terahertz più potenti al mondo, pari a 260 megavolt per centimetro (MV/cm) o un'intensità di picco equivalente di 9 x 10¹³ watt per centimetro quadrato (W/cm²).
Questa forza o intensità di campo di picco è il valore più alto raggiunto finora alle frequenze terahertz (0,1~20 THz), inclusi tutti i tipi di sorgenti terahertz che utilizzano laser, laser a elettroni liberi, acceleratori ed elettronica del vuoto.
Per produrre impulsi terahertz ad alta energia, gli scienziati hanno utilizzato un laser Ti:zaffiro da 150 terawatt per convertire l'energia ottica in radiazione terahertz (la cosiddetta rettifica ottica) nel niobato di litio (LiNbO₃), un cristallo che presenta forti non linearità ed elevata soglie di danno. In particolare, hanno utilizzato un wafer di niobato di litio di grande diametro (75 mm), anch'esso drogato con ossido di magnesio (MgO) al 5%, per produrre radiazioni terahertz scalabili a livello energetico.
Per una conversione efficiente dalla radiazione ottica a quella terahertz, è necessario considerare un altro fattore importante:l'adattamento di fase (o velocità). Gli scienziati hanno spiegato:"Se l'impulso laser ottico che genera la radiazione terahertz si propaga alla stessa velocità delle onde terahertz generate nel niobato di litio, l'energia terahertz in uscita può crescere continuamente con la distanza di propagazione.
"Convenzionalmente, un metodo del fronte dell'impulso inclinato viene utilizzato per soddisfare l'adattamento di fase in un niobato di litio a forma di prisma. Questo metodo, tuttavia, produce principalmente radiazioni terahertz a bassa frequenza, tipicamente con picco a meno di 1 THz, che porta naturalmente a focali relativamente grandi dimensioni dello spot (~ mm), limitando di conseguenza l'intensità del campo terahertz di picco nel fuoco."
Il team aveva già trovato una nuova condizione di adattamento di fase nel niobato di litio, che non richiede alcuna inclinazione del fronte degli impulsi. Hanno notato:"La velocità delle onde terahertz è generalmente dipendente dalla frequenza e varia così grande tra due frequenze di risonanza fononica che esiste una frequenza alla quale sia gli impulsi terahertz che quelli laser si propagano alla stessa velocità.
"Ciò avviene a circa 15 THz per gli impulsi laser Ti:zaffiro aventi una lunghezza d'onda centrale di 800 nm. Questo adattamento di fase ha reso possibile la produzione di onde terahertz di livello millijoule. Inoltre, la radiazione risultante da 15 THz può essere strettamente focalizzata, producendo potenzialmente forti campi elettromagnetici nel fuoco."
Gli scienziati hanno determinato attentamente le intensità di picco del campo elettrico e magnetico, 260 ± 20 MV/cm e 87 ± 7 T al fuoco, misurando separatamente l'energia terahertz, la dimensione del punto focale e la durata dell'impulso.
"Un impulso terahertz così intenso, quando focalizzato in un mezzo gassoso o solido, può ionizzare tramite tunnel gli atomi o le molecole costituenti e convertire il mezzo in un plasma. Come prova di principio, abbiamo dimostrato la ionizzazione guidata da terahertz di vari bersagli solidi tra cui metalli, semiconduttori e polimeri", hanno sottolineato.
"La nostra sorgente terahertz utilizza un cristallo planare di niobato di litio ed è promettente per aumentare ulteriormente l'energia in uscita e l'intensità del campo. Questo può generare campi terahertz super potenti (~GV/cm)", hanno aggiunto.
Gli scienziati ritengono che la loro ricerca aprirà nuove opportunità non solo per studiare gli effetti non lineari nei plasmi prodotti da terahertz, ma anche per utilizzare forze ponderomotrici guidate da terahertz per varie applicazioni, tra cui la generazione di armoniche terahertz multi-keV e persino lo studio degli effetti relativistici degli elettroni accelerati da terahertz. .
