精密測量院在液體太赫茲波產生機制理論研究方面獲進展

太赫茲波在通訊和成像等方面頗具應用價值。強場超快激光與物質非線性相互作用是產生太赫茲波的重要方式之一。等離子體、氣體、晶體等太赫茲產生介質相關的實驗與理論研究較為充分。然而，液體水是很強的太赫茲波吸收介質，尚未有其產生太赫茲波的報道。2017年，實驗發現，液體薄膜厚度或液體束直徑降到微米量級時，太赫茲波的輻射大于吸收。這開啟了液體太赫茲波研究的新方向。

近年來，液體太赫茲波領域有實驗報道，但實驗觀測到的較多現象均與其他介質的結果不同。例如：單色激光場可以有效地產生液體太赫茲波，而氣體介質需要特定相位差的雙色激光；液體太赫茲波的產率與驅動激光的能量是正比關系，而氣體介質中是平方關系；在一定范圍內液體太赫茲波的產率隨激光的脈沖寬度的增加而增加，而氣體介質相反；在雙色激光的驅動下，液體太赫茲波出現非調制信號，在氣體介質中卻未見類似信號。復雜無序的液相體系的理論研究一直是難題，以上現象難以用已有理論來解釋。科研人員只能基于之前的等離子體模型和界面效應等，來解釋一些高光強下的宏觀實驗結果。

近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員卞學濱和博士研究生李正亮，提出了產生液體太赫茲波的位移電流模型，可以系統解釋上述實驗觀測到的系列反常現象。該微觀機制模型的物理圖像如圖所示：液體的無序結構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境的影響而發生移動，在強場激光的作用下不同分子的外層電子發生躍遷，產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域，進而輻射出太赫茲波。同時，該工作表明原子核的量子效應起到關鍵作用，并預言太赫茲輻射可以研究液體的同位素效應。

上述成果是卞學濱團隊在液相強場超快動力學研究領域繼高次諧波統計漲落模型之后的又一理論進展。相關研究成果以Terahertz radiation induced by shift currents in liquids為題，發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等的支持。

液體太赫茲波產生的原理圖