יצירת פולסי טרההרץ עוצמתיים ובעלי כוונון רציף באלמנט יהלום במתח

גאשר חסר בספקטרום האור הבלתי נראה

אור טרההרץ שוכן בין מיקרומوجים ותת-אדום בספקטרום האלקטרומגנטי ויכול להזיז אטומים ומולקולות באופן שמגלה או שולט בתכונות חבויות של חומרים. עם זאת, פלח חשוב מהטווח הזה, בערך 5–15 טרההרץ, היה ידוע כקשה במיוחד להשגה עם פולסים חזקים ונקיים. המאמר הזה מראה כיצד גביש יהלום זעיר אך מדויק במצב דחיסה יכול לפעול כמנוע חדש ליצירת שיבושים טרההרץ עזים וקצרי-זמן שמכסים באופן רציף את הביטוי "החסר" הזה, ופותחים אפשרויות לחקירת מוליכי-על, חומרי קוונטים ומולקולות מורכבות.

מדוע טווח חבוי זה משמעותי

חומרים רבים מגיבים בעוצמה מרבית לרעידות בטווח 5–15 טרההרץ. נהיגה במוליך-על או בגביש מגנטי בקצב המתאים יכולה לשנות זמנית את מצבו, להפעיל מוליכות-על או לשנות את הדפוס המגנטי שלו. מקורות הטרההרץ הקיימים משאירים פערים בטווח זה, חלשים בצבעים מסוימים, או מסתמכים על גבישים שבירים ויקרים ועל מערכות מורכבות. לכן נחוץ מקור שהוא עוצמתי, ניתן לכוונון לאורך כל הטווח ללא רווחים, ופשוט דיו להשתלבות במעבדות לייזר אולטרה-מהירות סטנדרטיות.

שימוש ביהלום כמנוע טרההרץ

הכותבים מתבססים על שיטה שבה שלושה פולסי לייזר מתוזמנים בזהירות פועלים יחד בתוך היהלום. שני פולסים ארוכים יותר מושכים תחילה את אטומי הגביש בסינכרון, ומעוררים רטט מוגדר של הסריג. פולס שלישי, קצר מאוד בתחום התת-אדום-האמצעי, עובר דרך הגביש ו"נגח" כנגד הרטט הזה, ממיר חלק מאנרגייתו מטה לפולס טרההרץ. הצבע של אור הטרההרץ נקבע על ידי ההפרש בין הצבעים של שני הפולסים הראשונים וצבע הפולס התת-אדום-האמצעי, כך שכיוון פשוט של הלייזרים מאפשר לתפוקת הטרההרץ לנוע מ־5 טרההרץ ועד מעבר ל־15, ללא חורים באמצע. האתגר המרכזי, עם זאת, הוא להבטיח שכל הגלים הנעים דרך היהלום יתחברו בשלב כך ששדה הטרההרץ שנוצר יגבר במקום להתבטל.

מתיחת היהלום לתזמון מושלם

ביהלום ללא מתח, הגלים אינם נשארים בקצב טבעי כאשר כל קרני האור נשאבות על אותה קו, ולכן ניסיונות קודמים נאלצו להשתמש בקרניים החוצות זו את זו בזוויות. גאומטריה שאינה קוליניארית מקצרת את אזור האינטראקציה, מסבכת את ההתמקדות ומציגה עיוותים בקרן היוצאת. כאן הצוות מיישם לחץ מכני מבוקר לאורך ציר אחד של קוביית יהלום קטנה. המתח הזעיר הזה משנה מעט את המהירות שבה צבעים שונים של אור נעים דרך הגביש, ועם כמות דחיסה נכונה, התזמון מסתדר: כל הגלים המשולבים יכולים להתפשט קוליניארית תוך שמירה על פאזה תואמת. ניסויים מראים שבגישת זו יהלום בעובי 2 מילימטר מפיק בערך פי שלושה יותר אנרגיית טרההרץ ב־10 טרההרץ מאשר מערך קרניים בזווית, תוך שמירה על קרן נקייה, כמעט גאוסית שמתמקדת בצפיפות.

איזון זרימת האנרגיה בתוך הגביש

כדי להבין ולייעל את הביצועים, המחברים פותרים מספרית משוואות שעוקבות הן אחרי הפולסים האוריים והן אחרי הרעידות הגבישיות בזמן שהן נעות לאורך היהלום. הם מגלים שהפמפ החזק ביותר מתית - רוב אנרגייתו מומרת לגלים האחרים - ולכן נוסחאות פשוטות שמניחות תת-תנגוה הולכות שולל. המדמים מגלים שמשמעותי לא רק כמה חזק דוחפים את הגביש, אלא גם הצורה וההיקף של דפוס הרטט לאורך אורך היהלום. אם הפולסים המניעים חזקים מדי או מכוונים בדיוק רב מדי, הרטט נעשה עז אך מוגבל לאזור קצר; אם חלשים מדי או מסולקים רחוק מדי בתדירות, הרטט מתפשט אך לעולם לא מגיע למשרעת גדולה. הנקודה המתאימה היא פרופיל רטט רחב ובינוני בעוצמתו, שמתחבר היטב עם הפולס הקצר התת-אדום-האמצעי, מה שממקסם את תפוקת הטרההרץ.

הגדלה והבט נט אל העתיד

עם מערכת הלייזר הנוכחית שלהם, החוקרים מייצרים פולסי טרההרץ לאורך 60 פמטו-שניות ב־10 טרההרץ עם אנרגיה של 30 ננוג'ול, ומשיגים שדות חשמליים מעל שני מיליון וולטים לסנטימטר כאשר ממוקדים בחוזקה. החישובים שלהם מצביעים שיהלומים עבים במידה מתונה — עד כמה מילימטרים — יכולים להגדיל את האנרגיה בכמה פעמים לפני שגבולות מעשיים, כגון נזק והתפשטות הקרן, יופיעו. מאחר שכל הקרניים כעת עוברות קוליניארית, המקור משתלב באופן טבעי במערכות זמן-דומיין של טרההרץ ובמדידות ספקטרוסקופיות אולטרה-מהירות נפוצות. במובן זה, על ידי לחיצה ועדינה של היהלום ואיזון מדויק של פולסי הקלט, עבודה זו מספקת מקור קומפקטי, ניתן לכוונון ועוצמתי שחותם ביעילות את הפער של 5–15 טרההרץ ומצטייד לכלים חדשים ועזים לנהוג ולחקור התנהגות חומרית מורכבת.

ציטוט: Su, Y., Wei, Y., Lin, C. et al. Gapless tunable intense terahertz pulse generation in strained diamond. Light Sci Appl 15, 186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02092-6

מילות מפתח: פולסי טרההרץ, יהלום במתח, לייזרים אולטרה-מהירים, פיזור רמן, חומרי קוונטים