L'équipe de recherche du SZTU découvre un nouveau mécanisme de rayonnement cohérent dans les impulsions attosecondes

Récemment, l'équipe du professeur Ruan Shuangchen et du professeur Zhou Cangtao de l'Université de technologie de Shenzhen (SZUT) a proposé pour la première fois au monde un schéma physique permettant de générer des impulsions attosecondes et un choc optique cohérent sous-cycle à partir d'un champ de queue de plasma superluminal. et expliqué un nouveau mécanisme pour générer un rayonnement cohérent qui est dominé par l'action collective des électrons. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue internationale de physique Physical Review Letters sous le titre "Choc optique sous-cycle cohérent provenant d'un sillage de plasma superluminal". Le professeur adjoint Hao Peng est le premier auteur de l'article, et les professeurs Taiwu Huang, Cangtao Zhou et Shuangshen Ruan sont les auteurs co-correspondants.
Le rayonnement des ondes électromagnétiques peut être observé partout dans notre vie et est étroitement lié à notre vie, comme la lumière du soleil et les lumières dans la bande visible, les téléphones portables et les signaux WIFI dans la bande des micro-ondes, les sources de lumière de photolithographie dans la bande ultraviolette extrême et les rayons X. dans la bande des hautes énergies. Cependant, la majeure partie de la lumière dans la nature est une lumière non cohérente, qui présente des fréquences complexes, une orientation spatiale très large et des phases chaotiques. La première source de lumière cohérente, le laser, a été inventée dans les années 1960. Pour la lumière cohérente, du fait de la cohérence des composantes spectrales qu'elle contient, la différence de phase de chaque composante est fixe, il est donc possible de réaliser la modulation et la compression des impulsions lumineuses, de manière à obtenir une source de lumière cohérente avec une très courte durée de vie. durée et puissance crête très élevée.
Les sources de lumière cohérentes telles que les lasers sont devenues omniprésentes peu après leur introduction, et d'importantes applications des lasers peuvent être trouvées partout, de la recherche scientifique, de l'industrie et de l'armée aux communications, au divertissement et aux arts, ainsi que dans notre vie quotidienne. Le développement de la technologie laser et de ses applications a également donné lieu à de nombreux prix Nobel, comme le prix Nobel de physique 2018 décerné à Gérard Mourou et au professeur Donna Strickland pour l'invention de l'amplification laser à impulsions gazouillées, qui a permis d'augmenter l'intensité du laser. luminosité (densité de puissance) d'environ 10 ordres de grandeur, dépassant la luminosité de la lumière solaire d'environ 21 ordres de grandeur ; tandis que le prix Nobel de physique de cette année a été décerné à Pierre Agostini, Ferenc Krausz et au professeur Anne L'Huillier, inventeurs des impulsions lumineuses attosecondes, suffisamment courtes pour capturer des images de l'évolution interne des atomes et des molécules.

(a) Source lumineuse dans la nature ; (b) Source de lumière cohérente créée par un laser humain ; c) Excitation acoustique provoquée par un avion supersonique ; (d) Diagramme schématique du principe de génération d'excitation par source de rayonnement.
La clé de la génération de sources lumineuses cohérentes est le verrouillage de phase, c'est-à-dire que pour que la phase entre chaque particule microscopique impliquée dans le rayonnement soit la même, la création du laser est basée sur le principe du rayonnement stimulé proposé par Einstein. , c'est-à-dire que le nombre de particules d'atomes inversés sera libéré avec la phase photonique incidente cohérente avec les photons incidents des photons ; et laser à électrons libres, un tel dispositif méga-scientifique est basé sur la micro-agrégation de l'effet de faisceau du faisceau d'électrons, qui garantit que le mouvement de chaque électron est dans la même phase. Dans la nature, il existe un autre mécanisme de verrouillage de phase pour les ondes : les excitations. Par exemple, des excitations acoustiques sont générées lorsqu'un avion supersonique se déplace plus vite que la vitesse du son dans l'air, car le front de phase le long d'un angle particulier (l'angle Tchérenkov) est verrouillé en phase lorsque les ondes sonores générées par la tête de l'avion à différents moments se propage vers l’extérieur dans un front d’onde sphérique. De même, si une source de rayonnement peut dépasser la vitesse de la lumière, un nouveau type de rayonnement d’ondes électromagnétiques cohérentes, l’excitation optique, peut être produit. Cependant, il est impossible de faire en sorte que la même source de rayonnement dépasse la vitesse de la lumière dans le vide, car la relativité restreinte nous dit que le mouvement de tout objet ne peut pas « dépasser la vitesse de la lumière ».
Ces dernières années, l'équipe de recherche de l'Université de technologie de Shenzhen a vigoureusement encouragé la construction de la première plate-forme expérimentale complète de laser super-intense à grande échelle (dispositif laser nanoseconde-picoseconde-femtoseconde haute puissance) - série d'appareils Chenguang dans les universités nationales. . Un axe de recherche important de cette plateforme consiste à développer une nouvelle source de lumière à rayonnement cohérent et à mener des recherches sur les applications associées. Récemment, l'équipe a proposé un nouveau mécanisme de rayonnement cohérent basé sur l'action collective des électrons à partir du principe de base du rayonnement cohérent : grâce à l'interaction d'un faisceau d'électrons relativiste avec un plasma dont le gradient de densité varie lentement vers le haut, une vacuole de plasma de progressivement une taille décroissante peut être stimulée (la taille de la vacuole est négativement corrélée à la densité du plasma), et les électrons du plasma situés à différentes positions rebondissent à l'extrémité de la vacuole et rayonnent à l'extrémité de la vacuole, en raison de la taille longitudinale de la vacuole. Les électrons du plasma situés à différents endroits rebondissent sur l’extrémité de la bulle et y rayonnent. À mesure que la taille longitudinale de la bulle diminue progressivement, la vitesse collective de sa queue est supérieure à la vitesse du faisceau d'électrons moteur (proche de la vitesse de la lumière), ce qui atteint la condition de « superluminal », et donc les radiations du différents électrons générés ici sont superposés de manière cohérente pour former des excitations optiques le long de l'angle Tchérenkov. La source de lumière à rayonnement possède des propriétés tout à fait uniques : non seulement la largeur d'impulsion est extrêmement courte, atteignant l'échelle attoseconde, et l'intensité est très élevée, proportionnelle au carré de la distance de propagation, mais elle présente également une excellente directivité spatiale et une très faible dispersion angulaire. , phase d'enveloppe de porteuse stable et plage de réglage de fréquence ultra-large.

(a) Diagramme schématique d'un faisceau d'électrons relativistes frappant un plasma et générant une onde d'excitation optique à l'extrémité arrière d'une vacuole ; (b) Rayonnement d'onde d'excitation optique à l'extrémité arrière d'une vacuole superlumineuse, comme on le voit dans une grande simulation numérique par calcul intensif.
Le travail ci-dessus illustre un nouveau mécanisme de rayonnement cohérent piloté par un faisceau d’électrons, qui brise les limites de la théorie classique du rayonnement cohérent selon laquelle la taille du faisceau d’électrons doit être beaucoup plus petite que la longueur d’onde du rayonnement. Parallèlement, ce travail fournit un schéma expérimental physique simple et réalisable pour la génération de sources de lumière cohérentes, qui devrait générer des impulsions laser subpériodiques attosecondes de haute qualité à la taille d'une table, ce qui aura un impact important sur la spectroscopie attoseconde des tissus et cellules vivants, manipulation et diagnostic moléculaires ultrarapides, métrologie électronique de la dynamique attoseconde et traitement du signal ultra-haute fréquence de la fréquence battement-hertz, ainsi que d'autres recherches appliquées. En outre, ces travaux ont permis de développer le premier programme de calcul parallèle pour le rayonnement cohérent dans le domaine temporel en champ lointain en Chine, de résoudre les problèmes de goulot d'étranglement de dispersion numérique et de bruit de transformation en champ proche et lointain dans les méthodes de simulation traditionnelles, et de réaliser des calculs à temps élevé. - simulation autocohérente résolue dans l'espace du rayonnement haute fréquence, et a fourni une nouvelle méthode technologique pour le développement de nouvelles sources de rayonnement cohérentes.
Ce résultat constitue une autre avancée importante dans la génération de rayonnement cohérent par faisceau d’électrons réalisée par l’équipe de recherche en physique à haute densité d’énergie de l’Université de technologie de Shenzhen, à la suite des publications de décembre 2021 et mai 2023 dans Physical Review Letters. Il convient de mentionner que des scientifiques portugais ont proposé un mécanisme et un schéma physiques similaires presque simultanément avec l'équipe, et que les travaux associés ont été acceptés par Nature Photonics, une revue sous Nature.
Cette recherche a été financée et soutenue par le programme clé de recherche et de développement du ministère chinois des Sciences et de la Technologie, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (NSFC), le programme d'établissement de laboratoires clés de Shenzhen et le programme de fonds exceptionnel pour la jeunesse de Shenzhen. Le travail de simulation a été effectué sur la plate-forme de simulation de calcul intensif de près de mille milliards de fois/seconde du Centre de recherche sur les technologies avancées d'essais de matériaux de l'Université de technologie de Shenzhen.