SZTU:s forskargrupp upptäcker en ny mekanism för koherent strålning i attosekundpulser

Nyligen har teamet av prof. Ruan Shuangchen och prof. Zhou Cangtao från Shenzhens tekniska universitet (SZUT) för första gången i världen föreslagit ett fysiskt schema för att generera attosekundpulser och undercykelkoherent optisk chock från ett superluminalt plasmasvansfält, och förklarade en ny mekanism för att generera koherent strålning som domineras av den kollektiva verkan av elektroner. Forskningsresultaten publicerades i den främsta internationella fysiktidskriften Physical Review Letters under titeln "Coherent subcycle optical shock from a superluminal plasma wake". Biträdande professor Hao Peng är den första författaren till uppsatsen, och professorerna Taiwu Huang, Cangtao Zhou och Shuangshen Ruan är de motsvarande författarna.
Elektromagnetisk vågstrålning kan ses överallt i våra liv och är nära relaterad till våra liv, såsom solljus och ljus i det synliga bandet, mobiltelefoner och WIFI-signaler i mikrovågsbandet, fotolitografiska ljuskällor i det extrema ultravioletta bandet och röntgenstrålar i högenergibandet. Men det mesta av ljuset i naturen är icke-koherent ljus, som har komplexa frekvenser, mycket bred spatial pekande och kaotiska faser. Den första koherenta ljuskällan, lasern, uppfanns på 1960-talet. För koherent ljus, på grund av koherensen hos de spektrala komponenter som det innehåller, är fasskillnaden för varje komponent fixerad, så det är möjligt att realisera moduleringen och komprimeringen av ljuspulser, för att erhålla en koherent ljuskälla med en mycket kort varaktighet och mycket hög toppeffekt.
Sammanhängande ljuskällor som lasrar blev allestädes närvarande kort efter deras introduktion, och viktiga tillämpningar av lasrar kan hittas överallt, från vetenskaplig forskning, industri och militär till kommunikation, underhållning och konst, såväl som i våra dagliga liv. Utvecklingen av laserteknik och dess tillämpningar har också gett upphov till ett antal Nobelpriser, såsom 2018 års Nobelpris i fysik som tilldelas Gerard Mourou och Prof. Donna Strickland för uppfinningen av chirped-puls laser amplification, vilket har ökat laser ljusstyrka (effekttäthet) med cirka 10 storleksordningar, vilket överstiger ljusstyrkan för solljus med cirka 21 storleksordningar; medan årets Nobelpris i fysik tilldelades Pierre Agostini, Ferenc Krausz och prof. Anne L'Huillier, uppfinnare av attosekundspulser av ljus, som är korta nog för att fånga bilder av den interna utvecklingen av atomer och molekyler.

(a) Ljuskälla i naturen; (b) Koherent ljuskälla skapad av människa - laser; (c) Akustisk excitation orsakad av överljudsflygplan; (d) Schematiskt diagram av principen för att generera excitation genom strålningskälla.
Nyckeln till genereringen av koherenta ljuskällor är faslåsning, det vill säga så att fasen mellan varje mikroskopisk partikel som är involverad i strålningen är densamma, skapandet av lasern bygger på principen om stimulerad strålning som lagts fram av Einstein det vill säga antalet partiklar omvända atomer kommer att frigöras med den infallande fotonfasen i överensstämmelse med de infallande fotonerna hos fotoner; och frielektronlaser, en sådan megavetenskaplig anordning är baserad på mikroaggregation av elektronstråleeffekten, vilket säkerställer att varje elektrons rörelse är i samma fas. I naturen finns det en annan faslåsningsmekanism för vågor - excitationer. Till exempel genereras akustiska excitationer när ett överljudsflygplan färdas snabbare än ljudets hastighet i luft, eftersom fasfronten längs en viss vinkel (Cherenkovvinkeln) är faslåst när ljudvågorna som genereras av flygplanets huvud vid olika ögonblick sprids utåt i en sfärisk vågfront. På liknande sätt, om en strålningskälla tillåts överskrida ljusets hastighet, kan en ny typ av koherent elektromagnetisk vågstrålning, optisk excitation, produceras. Det är dock omöjligt att få samma strålningskälla att överstiga ljusets hastighet i ett vakuum, eftersom speciell relativitetsteori säger oss att rörelsen hos något föremål inte kan "överstiga ljusets hastighet".
Under de senaste åren har forskargruppen vid Shenzhen University of Technology kraftfullt främjat byggandet av den första storskaliga superintensiva laseromfattande experimentella plattformen (högeffekt nanosekund-pikosekund-femtosekundlaserenhet)-Chenguang-serien av enheter på inhemska universitet . En viktig forskningsinriktning för denna plattform är att utveckla en ny koherent strålningsljuskälla och utföra relaterad tillämpningsforskning. Nyligen har teamet föreslagit en ny koherent strålningsmekanism baserad på den kollektiva verkan av elektroner från den grundläggande principen för koherent strålning: genom interaktionen av en relativistisk elektronstråle med en plasma med en långsamt varierande uppåtriktad densitetsgradient, en plasmavakuol av gradvis minskande storlek kan stimuleras (vakuolens storlek är negativt korrelerad till plasmats densitet), och plasmaelektroner i olika positioner studsar tillbaka i slutet av vakuolen och strålar ut i slutet av vakuolen, på grund av den longitudinella storleken av vakuolen. Plasmaelektronerna på olika platser studsar av bubblans ände och strålar där. När den längsgående storleken på bubblan gradvis minskar, är den samlade hastigheten för dess svans större än hastigheten för den drivande elektronstrålen (nära ljusets hastighet), vilket uppnår tillståndet "superluminal", och därmed strålningen från olika elektroner som genereras här är koherent överlagrade för att bilda optiska excitationer längs Cherenkov-vinkeln. Strålningsljuskällan har mycket unika egenskaper: inte bara pulsbredden är extremt kort, når attosekundskalan, och intensiteten är mycket hög, proportionell mot kvadraten på utbredningsavståndet, utan har också utmärkt rumslig riktning, mycket liten vinkeldispersion , stabil bärvågsenveloppfas och ultrabrett frekvensinställningsområde.

(a) Schematiskt diagram av en relativistisk elektronstråle som träffar ett plasma och genererar en optisk excitationsvåg vid bakänden av en vakuol; (b) Optisk excitationsvågstrålning vid bakänden av en superluminös vakuol som ses i en stor numerisk superdatorsimulering.
Ovanstående arbete illustrerar en ny koherent strålningsmekanism som drivs av en elektronstråle, som bryter begränsningen för den klassiska koherenta strålningsteorin som kräver att elektronstrålens storlek är mycket mindre än strålningsvåglängden. Samtidigt ger detta arbete ett enkelt och genomförbart fysiskt experimentellt schema för generering av koherent ljuskälla, som förväntas generera högkvalitativa attosekunder subperiodiska laserpulser vid bordsstorleken, vilket kommer att ha en viktig inverkan på attosekundspektroskopi av levande vävnader och celler, ultrasnabb molekylär manipulation och diagnos, elektronisk attosekundsdynamikmetrologi och ultrahögfrekvent signalbehandling av beat-hertz-frekvensen och annan tillämpad forskning. Dessutom har detta arbete utvecklat det första parallella beräkningsprogrammet för koherent strålning i långa fält av tidsdomän i Kina, löst flaskhalsproblemen med numerisk spridning och transformationsbrus i när- och fjärrfält i de traditionella simuleringsmetoderna, och insett hög tid -rymdupplöst självkonsistent simulering av högfrekvent strålning, samt tillhandahållit en ny teknisk metod för utveckling av nya koherenta strålkällor.
Detta resultat är ytterligare ett viktigt genombrott i generering av elektronstråledriven koherent strålning som gjorts av forskargruppen för fysik med hög energitäthet vid Shenzhen University of Technology, efter publiceringarna från december 2021 och maj 2023 i Physical Review Letters. Det är värt att nämna att portugisiska forskare föreslog en liknande fysisk mekanism och schema nästan samtidigt med teamet, och det relaterade arbetet accepterades av Nature Photonics, en tidskrift under Nature.
Denna forskning finansierades och stöddes av nyckelforsknings- och utvecklingsprogrammet från Kinas ministerium för vetenskap och teknik, Kinas nationella naturvetenskapsstiftelse (NSFC), Shenzhen Key Laboratory Establishment Program och Shenzhen Outstanding Youth Fund Program. Simuleringsarbetet gjordes på superdatorsimuleringsplattformen nästan biljoner gånger/sekund av Advanced Materials Testing Technology Research Center vid Shenzhen University of Technology.