Физики сгенерировали рекордно мощные импульсы терагерцового излучения
Ученые разработали новый метод генерации терагерцового излучения, который позволяет получать импульсы с суммарной энергией 0,6 миллиджоулей, что на порядок больше предыдущих рекордов. Разработка открывает возможность создания компактных ускорителей частиц, пишут ученые в журнале Nature Communications.
Терагерцовый диапазон электромагнитного излучения располагается между микроволновыми и инфракрасным, обычно его границы определяют от 0,1 до 30 терагерц (1012 герц). Этот диапазон также называют субмиллиметровым, так как это излучение с длинами волн от 3 до 0,01 миллиметра. Эти волны (их называют также Т-лучами) используют в медицине и сфере безопасности — они позволяют просвечивать багаж и одежду, но не опасны для здоровья, в отличие от рентгеновского излучения. Существует ряд научных применений терагерцовым волнам (спектроскопия), а также технологические — для передачи данных.
Особый интерес к Т-лучам во многом связан с тем фактом, что именно на этих частотах происходят многие физические процессы, например движения валентных электронов в твердых телах, вращение молекул, вибрации кристаллических решеток, прецессии спинов и другие. С одной стороны, использование такого излучения позволяет наблюдать эти процессы, а с другой — вмешиваться и управлять ими.
Одно из фундаментальных применений терагерцового излучения — ускорение заряженных частиц. Этот перспективный способ теоретически позволяет достичь набора энергии на уровне гигаэлектронвольт на сантиметр, что на порядки лучше, чем у современных ускорителей. В рамках данного направления существует несколько подходов: для некоторых нужны широкополосные импульсы излучения, которые одновременно содержат колебания на многих частотах, а для других нужны узкополосные сигналы, содержащие частоты в диапазоне порядка 1 процента от центральной. Если первая технология уже достаточно развита и ученые могут превращать оптическое излучение в терагерцовое с эффективностью порядка 1 процента, то во втором случае этого сделано не было.
В работе под руководством Андреаса Майера (Andreas Maier) и Франца Кертнера (Franz Kärtner) из Гамбургского университета предлагается новый способ генерации узкополосных импульсов, который оказался в 13 раз эффективнее предложенных ранее. Метод основан на эффекте генерации разностной частоты (DFG, difference-frequency generation) в оптически нелинейном двулучепреломляющем кристалле ниобата лития со специфической структурой из перемежающихся слоев с разной ориентацией.
Для получения терагерцового сигнала два импульса лазера оптического диапазона с небольшой временной задержкой направляются на кристалл. Обычно для этого генерируется два одинаковых импульса, один из которых движется по слегка более длинному пути. Импульсы необходимо создавать с частотным градиентом, так что в начале у них находятся низкие частоты, а потом следуют высокие, из-за чего в каждый момент времени разность частот между импульсами находится в терагерцовом диапазоне. Благодаря эффекту DFG на выходе кристалла получается нужное излучение.
В идеальном случае частотный градиент должен быть постоянен, так что получающаяся разница частот тоже будет постоянной. Однако в реальности так не получается: у генерируемых импульсов градиент увеличивается, поэтому разность частот также увеличивается, что не позволяет получить на выходе узкополосный сигнал. Прямолинейное решение этой проблемы, то есть выпрямление градиента, оказывается на практике труднореализуемым. Вместо этого авторы придумали способ изменения зависимости частоты от времени импульсов, который позволяет достичь практически постоянной разности частот, несмотря на нелинейный частотный градиент.
«Необходимые изменения одного импульса минимальны и удивительно просты в реализации: для этого достаточно включения в схему специальных зеркал, — поясняет Майер. — Оказалось, что это усиливает терагерцовый сигнал в 13 раз».
В результате ученым удалось создать импульсы с энергией 0,6 миллиджоулей с центральной частотой 0,361 терагерц и шириной полосы в 1 процент. Это рекорд для метода на основе эффекта генерации разностной частоты, и на порядок больше, чем для любого другого метода получения узкополосных терагерцового импульсов. Авторы считают, что достижение показывает потенциальную возможность создавать достаточно мощные импульсы для использования в компактных ускорителях частиц.
Ранее ученые впервые создали лазер на органическом диоде с прямой накачкой током, зарегистрировали терагерцовое излучение воды и заглянули с его помощью под изоляцию тросов.
Физикам помогла простая математическая модель
Британские теоретики попытались разобраться, почему при слишком мелком помоле эспрессо получается невкусным. Для этого они построили простую модель протекания жидкости через два канала с пористым молотым кофе. Оказалось, что слишком мелкий помол запускает механизм с положительной обратной связью, из-за которого жидкость течет только по одному из каналов. Кофе во втором канале при этом остается недоэкстрагированным. Исследование опубликовано в Physics of Fluids. Для приготовления эспрессо нужно пропускать достаточно горячую воду под большим давлением через фильтр с молотым кофе. Люди научились готовить эспрессо еще в XIX веке, и с тех пор методом проб и ошибок сложилась практика получения наилучшего вкуса кофе. Однозначно формализовать качество кофе непросто, но чаще всего специалисты ориентируются на уровень (или выход) экстракции кофе — массовую долю растворившихся в воде химических компонентов зерен. В попытках разобраться в том, какая физика стоит за приготовлением эспрессо, несколько лет назад Фостер с коллегами провели экспериментальное и численное исследование этого процесса. Ученые уделили особое внимание помолу: модель предсказывала, что, чем меньше размер зерен, тем больше экстракция. Но эксперименты показали, что так происходит лишь до определенного порога, меньше которого уровень экстракции начинает снижаться. Этот эффект известен баристам давно. Его объясняют тем фактом, что при слишком мелком помоле в таблетке с кофе пробиваются паразитные каналы, через которые вода почти полностью утекает, игнорируя остальную кофейную массу. Фостер с коллегами учли этот факт, дополнительно наложив на модель ограничение на площадь экстракции. Тем не менее, остается проблема учета этого эффекта из первых принципов. Уильям Ли (William Lee) из университета Хаддерсфилд был одним из соавторов статьи Фостера. Ранее он с коллегами уже проводил независимые вычисления, связанные варкой кофе. На этот раз целью его группы стал вопрос о том, как именно происходит неравномерная экстракция при варке методом эспрессо. Для ответа на этот вопрос, физики построили довольно простую модель просачивания жидкости через два канала с пористым веществом. За основу они взяли уравнение Козени — Кармана, выведенное для упаковки сферических частиц. Вместе с ним авторы учли тот факт, что вещество помола экстрагируется в жидкость, уменьшая объем порошка. Решая полученные дифференциальные уравнения, физики смогли качественно воспроизвести главный эффект: по мере уменьшения размера зерен выход экстракции также спадает. Динамика потоков по каждому из каналов позволила понять, почему так происходит. Оказалось, все дело в механизме положительной обратной связи: чем больше протекает воды через канал, тем больше извлекается вещества и тем больше становится его пористость, а значит тем меньше сопротивление канала. В какой-то момент поток в одном из каналов становится максимальным, а в противоположном — падает почти до нуля. Несмотря на качественное объяснение, которое дала модель, ее количественные оценки разошлись с экспериментальными данными. Этот факт авторы объяснили простотой модели. В частности, они не учли стратификацию кофейной массы, а также использовали мономодальное распределение частиц, вместо бимодального, которым обладает реальный помол. Помимо усложнения модели, физики планируют включить в нее альтернативное объяснение эффекта, связанного с мельчанием помола, который заключается в закупоривании каналов зернами. Кофе — это один из немногих продуктов и в целом аспектов человеческой деятельности, который исследует огромное количество научных дисциплин от математики до экспериментальной психологии. Подробнее об этих исследованиях читайте в серии материалов и блогов «Сварен на калькуляторе», «Кофе (не) убьет», «Чашечку кофе?», «Кофе: проклятие четырех чашек».