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太赫茲波在通訊、成像等方面具有非常廣泛地應用。強場超快激光與物質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，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，液體太赫茲波領域有大量的實驗報道，然而實驗觀測到的很多現(xiàn)象都與其他介質的結果顯著不同，比如：單色激光場也可以有效地產(chǎn)生液體太赫茲波，而氣體介質需要特定相位差的雙色激光；液體太赫茲波的產(chǎn)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(chǎn)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，液體太赫茲波還出現(xiàn)了非調制信號，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等，來解釋一些高光強下的宏觀實驗結果。

近日，精密測量院研究員卞學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)解釋上述提到實驗中觀測到的系列反常現(xiàn)象。該微觀機制模型的物理圖像如圖1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(huán)境的影響而發(fā)生移動，在強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起到了關鍵的作用，并預言太赫茲輻射可以研究液體的同位素效應。

液體太赫茲波產(chǎn)生的原理圖

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

該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃等項目的資助。

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