Фазовая и групповая скорость света, распространяющегося в обычных оптических средах, не может превышать скорость света в вакууме. Однако в так называемых материалах с эпсилон-около-нуля (ENZ) свет демонстрирует бесконечную фазовую скорость и исчезающую групповую скорость для определенного цвета (частоты).

До сих пор такие свойства наблюдались только у очень немногих твердых тел и наноматериалов. Новое исследование учёных из Института Макса Борна в Берлине и Университета Тулейна в Новом Орлеане открывает совершенно новый путь, кратковременно превращая обычные жидкости, такие как вода и спирты, в материалы ENZ на терагерцовых (ТГц) частотах посредством взаимодействия с интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами.

Ионизация полярной молекулярной жидкости фемтосекундными лазерными импульсами генерирует свободные электроны , которые локализуются или «сольватируются» в фемтосекундном масштабе времени и в конечном итоге занимают пустоты в сети молекул, неупорядоченном массиве электрических диполей. Энергия связи электрона в его конечном местоположении в основном определяется электрическими силами между электроном и молекулярными диполями жидкости.

В процессе сверхбыстрой локализации электрическая связь позволяет запустить коллективные колебания электрона и тысяч молекул жидкости поблизости. Это многочастичное возбуждение называется поляроном и демонстрирует отчетливую частоту в диапазоне ТГц, определяемую концентрацией электронов в жидкости.

На частоте полярона диэлектрическая функция и/или показатель преломления жидкости пересекают нулевую линию, как показано на изображении выше. Другими словами, фазовая скорость света на этой частоте стремится к бесконечности, а групповая скорость световых импульсов должна стремиться к нулю, что характерно для материала ENZ.

Команда теперь продемонстрировала, что полярные жидкости, содержащие сольватированные электроны, представляют собой новый класс материалов ENZ с настраиваемыми свойствами распространения света. В текущем выпуске Physical Review Letters они сообщают о результатах экспериментов, в которых электроны в полярной жидкости сначала были получены с помощью фемтосекундной оптической ионизации, а распространение коротких терагерцовых импульсов в этой среде с частотой полярона около 1,5 ТГц было прослежено с временным разрешением.

Экспериментальный метод даёт представление о электрическом поле ТГц , тем самым выявляя как фазовые, так и групповые скорости распространяющихся ТГц импульсов. Как фазовые, так и групповые скорости сильно изменены по сравнению с чистой жидкостью, а огибающая импульса изменена, то есть расширена.

Как видно на изображении выше, это поведение становится наиболее очевидным при сравнении распространения переданного ТГц-импульса (красные линии) ниже и выше поляронного резонанса с ТГц-импульсами, распространяющимися через вакуум (синие линии) и невозбужденную обычную жидкость (чёрные линии). Такие свойства являются отличительной чертой поведения ENZ и соответствуют теоретическим расчетам.

Для приложений сдвиг частоты полярона путём простого изменения концентрации электронов является наиболее привлекательной функцией, которая позволяет контролируемо настраивать свойства ENZ материала в диапазоне частот от приблизительно 0,1 до 10 ТГц. Эти результаты прокладывают путь для новых методов управления распространением света в жидкостях, что, возможно, позволит достичь прогресса в оптическом считывании и связи.

Ведёт расследования о коррупции в любых эшелонах власти