Une nouvelle source de rayonnement térahertz intense (THz), qui pourrait offrir une alternative moins nocive aux rayons X et a un fort potentiel d'utilisation dans l'industrie, est développé par des scientifiques de l'Université de Strathclyde et de la Capital Normal University à Pékin.
Contrairement à la lumière visible, Le rayonnement THz pénètre des matériaux tels que le plastique, papier carton, bois et matériaux composites, ce qui en fait un excellent remplacement pour les rayons X nocifs utilisés en imagerie, et sécurité.
Bien qu'il soit bien connu que les ondes électromagnétiques THz peuvent transporter des communications à ultra-haute bande passante, dépassant largement ceux du Wi-Fi, il est moins connu qu'il s'agit d'une sonde très utile pour la détection de molécules et l'analyse des semi-conducteurs.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Dino Jaroszynski, du département de physique de Strathclyde, a montré expérimentalement que des paquets d'électrons relativistes à charge élevée sans précédent peuvent être produits par un accélérateur de champ de sillage laser (LWFA). Ceux-ci sont produits en plus de la haute énergie habituelle, faisceaux de faible charge qui sont émis.
L'équipe a montré que lorsqu'une impulsion laser ultra-courte intense est focalisée dans de l'hélium gazeux, une bulle de plasma se déplaçant presque à la vitesse de la lumière se forme. Ces faisceaux d'électrons à forte charge sont distincts des faibles charges habituelles (picocoloumb), haute énergie (100s MeV à GeV), paquets d'électrons de durée femtoseconde qui sont couramment observés à partir du LWFA.
La recherche a été publiée dans le Nouveau Journal de Physique .
Professeur Jaroszynski, Directeur du Scottish Centre for the Application Plasma-based Accelerators (SCAPA), qui a initié le projet, a déclaré:"Il s'agit d'une efficacité sans précédent à ces énergies THz. La disponibilité croissante de sources THz intenses ouvrira de toutes nouvelles perspectives scientifiques et technologiques.
"De nouveaux outils pour les scientifiques conduisent à de nouvelles avancées. L'interaction du rayonnement THz intense avec la matière permet d'accéder à des processus non linéaires, qui permet d'identifier des phénomènes normalement cachés, et aussi un contrôle unique de la matière, telles que l'alignement de molécules à l'aide de champs THz élevés ou la distorsion de la structure de bande dans les semi-conducteurs.
"SCAPA offre un environnement idéal pour étudier ces phénomènes, qui devrait conduire à de nouvelles avancées scientifiques. Nos études théoriques sont les premiers pas dans cette nouvelle direction passionnante."
Dr Enrico Brunetti, du département de physique de Strathclyde, réalisé la plupart des simulations de la recherche. Il a déclaré : « , l'énergie du rayonnement THz s'échelonnera jusqu'à des niveaux de millijoule, ce qui ferait une source intense de rayonnement THz avec des puissances de crête supérieures à GW, comparable à celui d'un laser infrarouge lointain à électrons libres. Un rendement de conversion optique en térahertz de l'ordre de 1% peut être atteint."
Dr Xue Yang, un chercheur du projet de Capital Normal University, a déclaré : « Lorsque les électrons traversent une interface entre deux milieux de constante diélectrique différente, le rayonnement de transition est émis sur une large gamme de fréquences.
"Les simulations montrent que les faisceaux d'électrons à grand angle émis par les accélérateurs laser-champ de sillage peuvent produire un rayonnement térahertz cohérent avec une énergie de 10 s µJ à 100 s µJ lorsqu'ils sont passés à travers une fine feuille de métal ou à la limite plasma-vide de l'accélérateur."
Le rayonnement THz est un rayonnement électromagnétique infrarouge lointain qui a une fréquence comprise entre 0,1 THz et 10 THz (1 THz =10^12 Hz), qui se situe entre les spectres moyen infrarouge et micro-ondes. Les empreintes spectrales vibrationnelles et rotationnelles des grosses molécules coïncident avec la bande THz, qui fait de la spectroscopie THz un outil puissant pour identifier les substances dangereuses, comme les drogues et les explosifs. De plus, Le rayonnement THz est important pour la biologie et la médecine car de nombreuses macromolécules biologiques, comme l'ADN et les protéines, ont leur mouvement collectif aux fréquences THz.
Le rayonnement THz peut également être utilisé pour découvrir les subtilités des semi-conducteurs et des nanostructures, et sont donc des outils importants pour le développement de nouveaux dispositifs électromécaniques et de cellules solaires.
Il existe de nombreuses méthodes différentes de génération de rayonnement THz, y compris la commande de courants photoélectriques dans des antennes à semi-conducteurs, excitation de puits quantiques et rectification optique dans les cristaux électro-optiques. Cependant, leur puissance maximale est limitée en raison de l'endommagement des matériaux optiques à des puissances élevées. Plasma, en revanche, n'a pas une telle limitation, car il est déjà cassé
La nouvelle recherche montre que ces charges élevées - nanocolomb-, et une énergie relativement faible (MeV), des paquets d'électrons d'une durée inférieure à la picoseconde sont émis dans un cône creux avec un angle d'ouverture de près de 45 degrés par rapport à l'axe du faisceau laser. Les chercheurs montrent que l'énergie laser peut être efficacement transférée à une impulsion très intense de rayonnement THz.
