Las ondas de terahercios, conocidas como radiación no ionizante, pueden convertirse en radiación de ionización cuando se concentran suficientes fotones de terahercios en el espacio y el tiempo. Un equipo dirigido por científicos de Corea y Estados Unidos ha creado los pulsos de terahercios más intensos del mundo que pueden ionizar instantáneamente átomos y moléculas y convertirlos en plasma.
El estudio, publicado en Light:Science &Applications , analiza la ionización de túneles impulsada por terahercios, que allanará el camino hacia una física extrema no lineal y relativista de terahercios en los plasmas.
Situada entre las regiones de microondas e infrarrojas del espectro electromagnético, la brecha de terahercios (1 THz =10¹² Hz) se está cerrando rápidamente mediante el desarrollo de nuevas fuentes y detectores de terahercios, con aplicaciones prometedoras en espectroscopia, imágenes, detección y comunicación. P>
Estas aplicaciones se benefician enormemente de las fuentes de terahercios que entregan radiación de alta energía o de alta potencia promedio. Por otro lado, las fuentes de terahercios de alta intensidad o de campo fuerte son esenciales para observar o explotar nuevas interacciones no lineales de terahercios-materia, donde las intensidades de los campos eléctricos y/o magnéticos desempeñan un papel clave.
El equipo de científicos, dirigido por el Dr. Chul Kang del Instituto de Investigación en Fotónica Avanzada, Instituto Gwangju de Ciencia y Tecnología (GIST), Corea, y el Profesor Ki-Yong Kim del Instituto de Investigación en Electrónica y Física Aplicada, Universidad de Maryland, College Park, Maryland, EE. UU., ha creado los campos de terahercios más potentes del mundo, de 260 megavoltios por centímetro (MV/cm) o una intensidad máxima equivalente de 9 x 10¹³ vatios por centímetro cuadrado (W/cm²).
Esta intensidad o intensidad de campo máxima es el valor más alto alcanzado hasta ahora en frecuencias de terahercios (0,1 ~ 20 THz), incluidos todos los tipos de fuentes de terahercios que utilizan láseres, láseres de electrones libres, aceleradores y electrónica de vacío.
Para producir pulsos de terahercios de alta energía, los científicos utilizaron un láser de Ti:zafiro de 150 teravatios para convertir la energía óptica en radiación de terahercios (la llamada rectificación óptica) en niobato de litio (LiNbO₃), un cristal que exhibe fuertes no linealidades y alta umbrales de daño. En particular, utilizaron una oblea de niobato de litio de gran diámetro (75 mm), también dopada con un 5 % de óxido de magnesio (MgO), para producir radiación de terahercios escalable y con un aumento de energía.
Para una conversión eficiente de radiación óptica a radiación de terahercios, se debe considerar otro factor importante:la adaptación de fase (o velocidad). Los científicos explicaron:"Si el pulso del láser óptico que genera la radiación de terahercios se propaga a la misma velocidad que las ondas de terahercios generadas en niobato de litio, entonces la energía de terahercios de salida puede crecer continuamente con la distancia de propagación.
"Convencionalmente, se utiliza un método de frente de pulso inclinado para satisfacer la coincidencia de fase en un niobato de litio en forma de prisma. Sin embargo, este método produce principalmente radiación de terahercios de baja frecuencia, generalmente con un pico de menos de 1 THz, lo que naturalmente conduce a una focal relativamente grande. tamaños de punto (~mm), lo que limita en consecuencia la intensidad máxima del campo de terahercios en el foco."
El equipo encontró previamente una nueva condición de coincidencia de fases en el niobato de litio, que no requiere ninguna inclinación del frente del pulso. Observaron:"La velocidad de las ondas de terahercios generalmente depende de la frecuencia y varía tanto entre dos frecuencias de resonancia de fonones que existe una frecuencia en la que tanto los pulsos de terahercios como los del láser se propagan a la misma velocidad".
"Esto ocurre aproximadamente a 15 THz para pulsos de láser Ti:zafiro que tienen una longitud de onda central de 800 nm. Esta coincidencia de fases hizo posible producir ondas de terahercios a nivel de milijulios. Además, la radiación resultante de 15 THz puede enfocarse estrechamente, produciendo potencialmente fuertes campos electromagnéticos en el foco."
Los científicos han determinado cuidadosamente las intensidades máximas de los campos eléctrico y magnético, 260 ± 20 MV/cm y 87 ± 7 T en el foco, midiendo por separado la energía de terahercios, el tamaño del punto focal y la duración del pulso.
"Un pulso de terahercios tan intenso, cuando se enfoca en un medio gaseoso o sólido, puede ionizar en túnel los átomos o moléculas constituyentes y convertir el medio en plasma. Como prueba de principio, hemos demostrado la ionización impulsada por terahercios de varios objetivos sólidos, incluidos metales, semiconductores y polímeros", enfatizaron.
"Nuestra fuente de terahercios utiliza un cristal plano de niobato de litio y es prometedor para aumentar aún más la energía de salida y la intensidad del campo. Esto puede generar campos de terahercios súper fuertes (~GV/cm)", agregaron.
Los científicos creen que su investigación abrirá nuevas oportunidades no sólo para estudiar los efectos no lineales en plasmas producidos por terahercios, sino también para utilizar fuerzas ponderomotrices impulsadas por terahercios para diversas aplicaciones, incluida la generación de armónicos de terahercios de múltiples keV e incluso el estudio de los efectos relativistas de los electrones acelerados por terahercios. .
