Цивилизация
Российские ученые разработали уникальную установку, которая позволяет создавать электромагнитные поля в терагерцовом диапазоне с максимально возможной на сегодняшний день мощностью. С помощью этой установки ученые впервые разрушили тонкую пластину металла электрическим полем терагерцового импульса длительностью меньше одной пикосекунды (одной триллионной доли секунды). Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
Сотрудники Объединенного института высоких температур РАН первыми в мире провели эксперимент, в котором наблюдали разрушение тонкой пленки металла под воздействием сильного терагерцового излучения (это электромагнитное излучение с длиной волны порядка долей миллиметра). В работе использовался уникальный терагерцовый «лазер», позволяющий создать электромагнитное поле с напряженностью до 100 миллионов вольт на сантиметр длины (например, такое напряжение доставляет к земле канал молнии). Больше этой величины для источника терагерцового излучения сегодня не позволяет достичь ни одна установка в мире.
«Наша работа и другие исследования, совместные с зарубежными учеными, проводятся у нас, в России, с помощью фемтосекундной лазерной системы тераваттного уровня мощности инфракрасного излучения, изготовленной из отечественных комплектующих изделий и не имеющей аналогов в мире. Оказалось, что с помощью этой системы можно изготовить источник терагерцового излучения с уникальными свойствами», — рассказал один из авторов исследования, Михаил Агранат, заведующий отделом лазерной плазмы Объединенного института высоких температур РАН.
Терагерцовое излучение занимает по частоте промежуточное положение между инфракрасным излучением и сверхвысокочастотным. Такие лучи свободно проходят через бумагу, дерево, пластик и другие материалы, а непрозрачными для них являются вода и металл. При этом, в отличие от, например, рентгеновских лучей, терагерцовые волны менее безопасны для человеческого организма. Благодаря этим свойствам терагерцовое излучение стало предметом особого интереса ученых в последнее время.
«Огромное количество зарубежных исследований проводится сейчас в этом направлении, особенно последние несколько лет. Но во всех этих исследованиях используются источники излучения с напряженностью поля, которое не позволяет проводить так называемое силовое воздействие на вещество», — пояснил ученый.
Авторы работы исследовали силовое воздействие терагерцового излучения на примере разрушения металла. Электромагнитные волны терагерцового диапазона очень быстро затухают в металле, поэтому разрушить его таким способом очень сложно. В эксперименте исследователи использовали тонкую металлическую плёнку из алюминия. Ученые направляли на пластину единичные терагерцовые импульсы, постепенно увеличивая их мощность. При достижении некоторого порогового значения импульс высокой мощности проделал в металле сквозное отверстие. Такой результат наблюдался в мировой практике впервые.
Определив пороговое значение мощности импульса, при котором возникало отверстие в металле, исследователи попробовали уменьшить мощность и обнаружили дополнительный интересный результат. Многократное облучение импульсами с мощностью меньше порогового значения не пробивало металл насквозь, однако, оставляло повреждения, характер и природу которых ученым еще предстоит изучить.
«Мы обнаружили очень удивительный эффект. При большом количестве импульсов с мощностью ниже пороговой появляется разрушение странного, необычного типа. Объяснить его пока не удается, но, по крайней мере, механизм инициирования его мы предположили. Это электрострикция, то есть увеличение объема материала под действием электрического поля», — добавил ученый.
Результаты авторов открывают путь для новых экспериментальных и теоретических исследований силового воздействия терагерцового излучения. В дальнейшей работе ученые надеются описать и изучить фазовые переходы, эффект изменения диэлектрической проницаемости и другие процессы, которые происходят в металлах под действием такого излучения. С практической точки зрения технология силового воздействия может найти свое применение в фотонике, биологии, медицине, материаловедении. Практическое применение такого излучения, в первую очередь, связано с обработкой материалов.
