Una nueva fuente de radiación intensa de terahercios (THz), que podría ofrecer una alternativa menos dañina a los rayos X y tiene un gran potencial para su uso en la industria, está siendo desarrollado por científicos de la Universidad de Strathclyde y la Universidad Capital Normal en Beijing.
A diferencia de la luz visible, La radiación de THz penetra materiales como el plástico, cartulina, madera y materiales compuestos, lo que lo convierte en un excelente reemplazo para los dañinos rayos X utilizados en imágenes, y seguridad.
Aunque es bien sabido que las ondas electromagnéticas THz pueden transportar comunicaciones de ancho de banda ultra alto, superando con creces a los de Wi-Fi, es menos conocido que es una sonda muy útil para detectar moléculas y analizar semiconductores.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Dino Jaroszynski, del Departamento de Física de Strathclyde, ha demostrado experimentalmente que un acelerador láser de campo de vigilia (LWFA) puede producir racimos de electrones relativistas con cargas elevadas sin precedentes. Estos se producen además de los habituales de alta energía, haces de baja carga que se emiten.
El equipo demostró que cuando un intenso pulso de láser ultracorto se enfoca en gas helio, se forma una burbuja de plasma que se mueve casi a la velocidad de la luz. Estos haces de electrones de alta carga son distintos de los habituales de baja carga (picocoloumb), de alta energía (100s MeV a GeV), manojos de electrones de duración de femtosegundos que se observan comúnmente en el LWFA.
La investigación ha sido publicada en el Nueva Revista de Física .
Profesor Jaroszynski, Director del Scottish Center for the Application Plasma-based Accelerators (SCAPA), quien inició el proyecto, dijo:"Esta es una eficiencia sin precedentes en estas energías de THz. La creciente disponibilidad de fuentes intensas de THz conducirá a caminos completamente nuevos en ciencia y tecnología.
"Las nuevas herramientas para los científicos conducen a nuevos avances. La interacción de la radiación THz intensa con la materia permite el acceso a procesos no lineales, que permite la identificación de fenómenos normalmente ocultos, y también un control único de la materia, como alinear moléculas usando campos de THz altos o distorsionar la estructura de bandas en semiconductores.
"SCAPA proporciona un entorno ideal para investigar estos fenómenos, lo que debería conducir a nuevos avances en la ciencia. Nuestros estudios teóricos son los primeros pasos en esta nueva y emocionante dirección ".
Dr. Enrico Brunetti, del Departamento de Física de Strathclyde, llevó a cabo la mayoría de las simulaciones en la investigación. Dijo:"Dado que la carga de los haces de gran angular aumenta linealmente con la intensidad del láser y la densidad del plasma, la energía de la radiación de THz se escalará a niveles de milijulios, que produciría una fuente intensa de radiación de THz con potencias máximas superiores a GW, que es comparable con el de un láser de electrones libres de infrarrojo lejano. Se puede alcanzar una eficiencia de conversión óptica a terahercios del orden del 1% ".
Dr. Xue Yang, investigador en el proyecto de Capital Normal University, dijo:"Cuando los electrones cruzan una interfaz entre dos medios de diferente constante dieléctrica, La radiación de transición se emite en una amplia gama de frecuencias.
"Las simulaciones muestran que los haces de electrones de gran angular emitidos por aceleradores láser-wakefield pueden producir una radiación de terahercios coherente con una energía de 10 s µJ a 100 s µJ cuando se pasan a través de una lámina metálica delgada o en el límite de vacío de plasma del acelerador".
La radiación THz es una radiación electromagnética de infrarrojo lejano que tiene una frecuencia entre 0,1 THz y 10 THz (1 THz =10 ^ 12 Hz), que encaja entre los espectros de infrarrojo medio y microondas. Las huellas espectrales vibratorias y rotacionales de moléculas grandes coinciden con la banda THz, lo que hace que la espectroscopia de THz sea una herramienta poderosa para identificar sustancias peligrosas, como drogas y explosivos. Es más, La radiación de THz es importante para la biología y la medicina porque muchas macromoléculas biológicas, como el ADN y las proteínas, tienen su movimiento colectivo en frecuencias THz.
La radiación de THz también se puede utilizar para descubrir las complejidades de los semiconductores y nanoestructuras, y por tanto son herramientas importantes para el desarrollo de nuevos dispositivos electromecánicos y células solares.
Existen muchos métodos diferentes para generar radiación THz, incluida la conducción de fotocorriente en antenas semiconductoras, excitación de pozos cuánticos y rectificación óptica en cristales electroópticos. Sin embargo, su potencia máxima está restringida debido al daño a los materiales ópticos a altas potencias. Plasma, a diferencia de, no tiene tal limitación, como ya esta roto
La nueva investigación muestra que estos nanocolorantes de alta carga, y energía relativamente baja (MeV), Se emiten haces de electrones de duración de subpicosegundos en un cono hueco con un ángulo de apertura de casi 45 grados con respecto al eje del rayo láser. Los investigadores muestran que la energía láser se puede transferir de manera eficiente a un pulso muy intenso de radiación THz.
