Sóng Terahertz, còn gọi là bức xạ không ion hóa, có thể biến thành bức xạ ion hóa khi tập trung đủ nhiều photon terahertz trong không gian và thời gian. Một nhóm do các nhà khoa học ở Hàn Quốc và Mỹ đã tạo ra các xung terahertz mạnh nhất thế giới, có thể ion hóa ngay lập tức các nguyên tử và phân tử và chuyển chúng thành plasma. Kết quả nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Light: Science & Application, đưa ra quá trình ion hóa đường hầm điều khiển bằng terahertz, mở đường cho vật lý terahertz phi tuyến tính và tương đối tính cực đoan trong plasma.
Nằm giữa vùng vi sóng và hồng ngoại của phổ điện từ, sóng terahertz (1 THz = 10¹² Hz) đang nhanh chóng được thu hẹp nhờ sự phát triển của các nguồn và máy dò terahertz mới, với các ứng dụng đầy hứa hẹn trong quang phổ, hình ảnh, cảm biến và truyền thông. Những ứng dụng này được hưởng lợi rất nhiều từ các nguồn terahertz cung cấp bức xạ năng lượng cao hoặc năng lượng trung bình cao. Mặt khác, các nguồn terahertz cường độ cao hoặc trường mạnh là rất cần thiết để quan sát hoặc khai thác các tương tác vật chất terahertz phi tuyến mới, trong đó cường độ điện trường và/hoặc từ trường đóng vai trò chính. Nhóm các nhà khoa học, dẫn đầu bởi Tiến sĩ Chul Kang từ Viện Nghiên cứu Quang tử Tiên tiến, Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju (GIST), Hàn Quốc và Giáo sư Ki-Yong Kim từ Viện Nghiên cứu Điện tử và Vật lý Ứng dụng, Đại học Maryland, Cao đẳng Park, Maryland, Hoa Kỳ, đã tạo ra trường terahertz mạnh nhất thế giới với 260 megavolt trên centimet (MV/cm) hay cường độ cực đại tương đương là 9 x 10¹³ watt trên centimet vuông (W/cm²).
(a) Các cấu hình chùm tia 15 THz được chụp ở các vị trí khác nhau dọc theo đường truyền khi được tập trung bởi gương kim loại lõm. Kích thước điểm nhỏ tới 43 micromet trên toàn bộ chiều rộng có mức một nửa tối đa ở tiêu điểm. (b) Sự phát quang plasma phát ra từ một mục tiêu rắn, được chiếu xạ bởi xung terahertz cường độ cao và được camera ghi lại. (c) Hình ảnh kính hiển vi của bề mặt bán dẫn bị hư hỏng do xung terahertz ion hóa (Nguồn: Hyeongmun Kim và cộng sự)
Cường độ hoặc cường độ trường cực đại này là giá trị cao nhất đạt được cho đến nay ở tần số terahertz (0,1~20 THz), bao gồm tất cả các loại nguồn terahertz sử dụng tia laser, tia laser điện tử tự do, máy gia tốc và thiết bị điện tử chân không. Để tạo ra các xung terahertz năng lượng cao, các nhà khoa học đã sử dụng tia laser Ti:sapphire loại 150 terawatt để chuyển đổi năng lượng quang học thành bức xạ terahertz (còn gọi là chỉnh lưu quang học) trong lithium niobate (LiNbO₃), một tinh thể thể hiện tính phi tuyến mạnh và ngưỡng thiệt hại cường độ cao. Đặc biệt, họ đã sử dụng một tấm wafer lithium niobate có đường kính lớn (75 mm), cũng được pha tạp 5% magie oxit (MgO), để tạo ra bức xạ terahertz có khả năng mở rộng năng lượng. Để chuyển đổi hiệu quả từ bức xạ quang học sang bức xạ terahertz, một yếu tố quan trọng khác phải được xem xét: sự phù hợp về pha (hoặc vận tốc). Các nhà khoa học giải thích: Nếu xung laser quang học tạo ra bức xạ terahertz lan truyền với cùng vận tốc với sóng terahertz được tạo ra trong lithium niobate, thì năng lượng terahertz đầu ra có thể liên tục tăng theo khoảng cách truyền.
Thông thường, phương pháp xung nghiêng được sử dụng để đáp ứng sự khớp pha trong lithium niobate hình lăng trụ. Tuy nhiên, phương pháp này tạo ra hầu hết bức xạ terahertz tần số thấp, thường đạt cực đại dưới 1 THz, điều này tự nhiên dẫn đến tiêu cự với kích thước điểm tương đối lớn (~mm), do đó hạn chế cường độ trường terahertz cực đại tại tiêu điểm. Trước đây, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy một điều kiện khớp pha mới trong lithium niobate, không yêu cầu bất kỳ sự nghiêng phía trước xung nào. Vận tốc của sóng terahertz nói chung phụ thuộc vào tần số và thay đổi rất lớn giữa hai tần số cộng hưởng phonon đến mức tồn tại một tần số mà tại đó cả xung terahertz và xung laser đều truyền ở cùng một vận tốc. Điều này xảy ra ở khoảng 15 THz đối với xung laser Ti:sapphire có bước sóng trung tâm 800 nm. Sự khớp pha này giúp tạo ra sóng terahertz cấp milijoule. Hơn nữa, bức xạ 15 THz thu được có thể được tập trung chặt chẽ, có khả năng tạo ra trường điện từ mạnh tại tiêu điểm.
Các nhà khoa học đã xác định cẩn thận cường độ điện trường và từ trường cực đại, 260 ± 20 MV/cm và 87 ± 7 T tại tiêu điểm, bằng cách đo riêng năng lượng terahertz, kích thước tiêu điểm và thời lượng xung. Xung terahertz cường độ cao như vậy, khi tập trung vào môi trường khí hoặc rắn, có thể tạo đường hầm ion hóa các nguyên tử hoặc phân tử cấu thành và chuyển đổi môi trường thành plasma. Để chứng minh nguyên lý, các nhà khoa học đã chứng minh sự ion hóa dựa trên terahertz của nhiều mục tiêu rắn khác nhau, bao gồm cả kim loại, chất bán dẫn và polyme. Nguồn terahertz của chúng tôi sử dụng tinh thể lithium niobate phẳng và hứa hẹn tăng năng lượng đầu ra và cường độ trường hơn nữa. Điều này có thể tạo ra trường terahertz siêu mạnh (~ GV/cm). Các nhà khoa học tin rằng nghiên cứu của họ sẽ mở ra những cơ hội mới để không chỉ nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến trong các plasma được tạo ra terahertz mà còn sử dụng các lực suy chuyển do terahertz điều khiển cho các ứng dụng khác nhau bao gồm tạo ra sóng hài đa keV terahertz và thậm chí nghiên cứu các hiệu ứng tương đối tính bởi các electron được gia tốc terahertz.
Từ khóa: bức xạ ion hóa; terahertz;
– CMD&DND –
