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太赫茲波在通訊、成像等方面具有非常廣泛地應(yīng)用。強(qiáng)場超快激光與物質(zhì)非線性相互作用是產(chǎn)生太赫茲波的重要方式之一。等離子體、氣體、晶體等太赫茲產(chǎn)生介質(zhì)相關(guān)的實(shí)驗與理論研究較為充分。然而液體水是很強(qiáng)的太赫茲波吸收介質(zhì)，長期以來一直未有其產(chǎn)生太赫茲波的研究報道。直到2017年，實(shí)驗發(fā)現(xiàn)液體薄膜厚度或液體束直徑降到微米量級時，太赫茲波的輻射會遠(yuǎn)大于吸收，從而開啟了液體太赫茲波研究的新方向。

最近幾年，液體太赫茲波領(lǐng)域有大量的實(shí)驗報道，然而實(shí)驗觀測到的很多現(xiàn)象都與其他介質(zhì)的結(jié)果顯著不同，比如：單色激光場也可以有效地產(chǎn)生液體太赫茲波，而氣體介質(zhì)需要特定相位差的雙色激光；液體太赫茲波的產(chǎn)率與驅(qū)動激光的能量是正比關(guān)系，而氣體介質(zhì)中是平方關(guān)系；在一定范圍內(nèi)液體太赫茲波的產(chǎn)率隨激光的脈沖寬度的增加而增加，而氣體介質(zhì)相反；在雙色激光的驅(qū)動下，液體太赫茲波還出現(xiàn)了非調(diào)制信號，在氣體介質(zhì)中卻未見類似信號。復(fù)雜無序的液相體系的理論研究一直是個難題，以上現(xiàn)象難以用已有理論來解釋，研究人員只能基于之前的等離子體模型加上界面效應(yīng)等，來解釋一些高光強(qiáng)下的宏觀實(shí)驗結(jié)果。

近日，精密測量院研究員卞學(xué)濱和博士生李正亮提出了產(chǎn)生液體太赫茲波的位移電流模型，可系統(tǒng)解釋上述提到實(shí)驗中觀測到的系列反常現(xiàn)象。該微觀機(jī)制模型的物理圖像如圖1所示：液體的無序結(jié)構(gòu)使得電子波包局域化，同時不同分子的外層電子的能量受到環(huán)境的影響而發(fā)生移動，在強(qiáng)場激光的作用下不同分子的外層電子發(fā)生躍遷，產(chǎn)生非對稱體系的位移電流。這些躍遷的能量差在太赫茲能量區(qū)域，進(jìn)而輻射出太赫茲波。同時，他們的研究還表明原子核的量子效應(yīng)起到了關(guān)鍵的作用，并預(yù)言太赫茲輻射可以研究液體的同位素效應(yīng)。

液體太赫茲波產(chǎn)生的原理圖

該項成果是卞學(xué)濱研究員團(tuán)隊在液相強(qiáng)場超快動力學(xué)研究領(lǐng)域繼高次諧波統(tǒng)計漲落模型之后，又一重要理論進(jìn)展，以“Terahertz radiation induced by shift currents in liquids”為題發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上，博士生李正亮為第一作者，卞學(xué)濱研究員為通訊作者。

該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃等項目的資助。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2315297121