Les ondes térahertz, appelées rayonnements non ionisants, peuvent se transformer en rayonnement ionisant lorsqu'un nombre suffisant de photons térahertz sont focalisés dans l'espace et dans le temps. Une équipe dirigée par des scientifiques coréens et américains a créé les impulsions térahertz les plus intenses au monde, capables d'ioniser instantanément des atomes et des molécules et de les convertir en plasma.
L'étude, publiée dans Light :Science &Applications , discute de l'ionisation tunnel pilotée par térahertz, qui ouvrira la voie à une physique térahertz extrême non linéaire et relativiste dans les plasmas.
Situé entre les régions micro-ondes et infrarouge du spectre électromagnétique, l'écart térahertz (1 THz =10¹² Hz) est rapidement comblé grâce au développement de nouvelles sources et détecteurs térahertz, avec des applications prometteuses en spectroscopie, imagerie, détection et communication.
Ces applications bénéficient grandement des sources térahertz délivrant un rayonnement de haute énergie ou de puissance moyenne élevée. D'autre part, les sources térahertz de haute intensité ou à champ fort sont essentielles pour observer ou exploiter de nouvelles interactions térahertz non linéaires-matière, dans lesquelles les intensités des champs électriques et/ou magnétiques jouent un rôle clé.
L'équipe de scientifiques, dirigée par le Dr Chul Kang de l'Institut de recherche avancée en photonique, Institut des sciences et technologies de Gwangju (GIST), Corée, et le professeur Ki-Yong Kim de l'Institut de recherche en électronique et physique appliquée, Université du Maryland, Collège Park, dans le Maryland, aux États-Unis, a créé les champs térahertz les plus puissants au monde, soit 260 mégavolts par centimètre (MV/cm), soit une intensité maximale équivalente de 9 x 10¹³ watts par centimètre carré (W/cm²).
Cette intensité ou intensité de champ maximale est la valeur la plus élevée atteinte jusqu'à présent aux fréquences térahertz (0,1 ~ 20 THz), y compris tous les types de sources térahertz utilisant des lasers, des lasers à électrons libres, des accélérateurs et des appareils électroniques sous vide.
Pour produire des impulsions térahertz de haute énergie, les scientifiques ont utilisé un laser Ti:saphir de classe 150 térawatts pour convertir l'énergie optique en rayonnement térahertz (appelé rectification optique) dans le niobate de lithium (LiNbO₃), un cristal qui présente de fortes non-linéarités et des niveaux élevés. seuils de dommages. En particulier, ils ont utilisé une plaquette de niobate de lithium de grand diamètre (75 mm), également dopée à 5 % d'oxyde de magnésium (MgO), pour produire un rayonnement térahertz évolutif en énergie.
Pour une conversion efficace du rayonnement optique en rayonnement térahertz, un autre facteur important doit être pris en compte :l'adaptation de phase (ou de vitesse). Les scientifiques ont expliqué :"Si l'impulsion laser optique qui génère le rayonnement térahertz se propage à la même vitesse que les ondes térahertz générées dans le niobate de lithium, alors l'énergie térahertz de sortie peut croître continuellement avec la distance de propagation.
"Conventionnellement, une méthode de front d'impulsion incliné est utilisée pour satisfaire l'adaptation de phase dans un niobate de lithium en forme de prisme. Cette méthode produit cependant principalement un rayonnement térahertz de basse fréquence, généralement culminé à moins de 1 THz, ce qui conduit naturellement à une focale relativement importante. tailles de spot (~ mm), limitant par conséquent l'intensité maximale du champ térahertz au foyer. "
L’équipe a précédemment découvert une nouvelle condition d’adaptation de phase dans le niobate de lithium, qui ne nécessite aucune inclinaison du front d’impulsion. Ils ont noté :"La vitesse des ondes térahertz dépend généralement de la fréquence et varie tellement entre deux fréquences de résonance des phonons qu'il existe une fréquence à laquelle les impulsions térahertz et laser se propagent à la même vitesse.
"Cela se produit à environ 15 THz pour les impulsions laser Ti:saphir ayant une longueur d'onde centrale de 800 nm. Cette adaptation de phase a permis de produire des ondes térahertz de l'ordre du millijoule. De plus, le rayonnement de 15 THz résultant peut être étroitement focalisé, produisant potentiellement champs électromagnétiques forts au foyer."
Les scientifiques ont soigneusement déterminé les intensités maximales des champs électriques et magnétiques, 260 ± 20 MV/cm et 87 ± 7 T au foyer, en mesurant séparément l'énergie térahertz, la taille du point focal et la durée de l'impulsion.
"Une impulsion térahertz aussi intense, lorsqu'elle est focalisée dans un milieu gazeux ou solide, peut ioniser par tunnel les atomes ou molécules constitutifs et convertir le milieu en plasma. Comme preuve de principe, nous avons démontré l'ionisation térahertz de diverses cibles solides, notamment métaux, semi-conducteurs et polymères", ont-ils souligné.
"Notre source térahertz utilise un cristal planaire de niobate de lithium et est prometteuse pour augmenter encore davantage l'énergie de sortie et l'intensité du champ. Cela peut générer des champs térahertz super puissants (~GV/cm)", ont-ils ajouté.
Les scientifiques pensent que leurs recherches ouvriront de nouvelles opportunités non seulement pour étudier les effets non linéaires dans les plasmas produits en térahertz, mais également pour utiliser les forces pondéromotrices entraînées par térahertz pour diverses applications, notamment la génération d'harmoniques térahertz multi-keV et même l'étude des effets relativistes des électrons accélérés en térahertz. .
