Gaploze instelbare intense terahertzpulsproductie in gespannen diamant

Het dichten van een ontbrekende band van onzichtbaar licht

Terahertzlicht bevindt zich tussen microgolven en infrarood in het elektromagnetische spectrum en kan atomen en moleculen op manieren laten trillen die verborgen eigenschappen van materialen onthullen of controleren. Toch is een cruciale schuif van dit bereik, grofweg 5–15 biljoen cycli per seconde, berucht moeilijk bereikbaar met krachtige, schone pulsen. Dit artikel toont hoe een klein maar precies samengedrukt diamantkristal kan fungeren als een nieuw type motor om intense, ultrakorte terahertsstoten te genereren die naadloos deze “missende” band bestrijken, en zo mogelijkheden openen om supergeleiders, quantummaterialen en complexe moleculen te onderzoeken.

Waarom dit verborgen bereik ertoe doet

Veel belangrijke materialen reageren het sterkst op trillingen in de 5–15 terahertzband. Een supergeleider of een magnetisch kristal precies op het juiste ritme aandrijven kan tijdelijk zijn toestand veranderen, superconductiviteit inschakelen of het magnetische patroon hervormen. Huidige terahertsbroucers laten vaak gaten in dit frequentiebereik, zijn te zwak op specifieke kleuren, of vertrouwen op fragiele, dure kristallen en ingewikkelde opstellingen. Onderzoekers hebben daarom een bron nodig die krachtig is, instelbaar over deze hele band zonder gaten, en eenvoudig genoeg om in standaard ultrafast-laserlaboratoria te integreren.

Diamant gebruiken als terahertzmotor

De auteurs bouwen voort op een methode waarbij drie zorgvuldig getimede laserpulsen samenwerken in diamant. Twee langere pulsen trekken eerst de atomen van het kristal synchroon, waardoor een goed gedefinieerde trilling van het rooster wordt opgewekt. Een derde, zeer korte mid-infraroodpuls passeert vervolgens en “wandaart” tegen deze trilling, waarbij een deel van zijn energie wordt omgezet naar een terahertspuls. De kleur van het terahertzlicht wordt bepaald door het verschil in kleuren van de eerste twee pulsen en de kleur van de mid-infraroodpuls, zodat het eenvoudig afstellen van de lasers het uitgangssignaal laat lopen van ongeveer 5 terahertz ruim voorbij 15, zonder gaten ertussen. De belangrijkste uitdaging is echter te zorgen dat alle golven die door de diamant reizen in fase optellen zodat het gegenereerde terahertzveld groeit in plaats van zichzelf te annuleren.

Diamant rekken voor perfecte timing

In een niet-gespannen diamant blijven de golven niet vanzelf in stap wanneer alle bundels langs dezelfde lijn reizen, wat eerdere experimenten dwong hoekige kruisende bundels te gebruiken. Die niet-collineaire geometrie verkort de interactieregio, bemoeilijkt uitlijning en introduceert vervormingen in de uitgaande bundel. Hier passen de onderzoekers een gecontroleerde mechanische compressie toe langs één as van een kleine diamantkubus. Deze kleine rek verandert enigszins hoe snel verschillende kleuren licht door het kristal bewegen, en met de juiste hoeveelheid compressie vallen de tijden samen: alle reagerende golven kunnen collineair voortplanten terwijl ze in fase blijven. Experimenten tonen aan dat met deze benadering een 2-millimeter diamant ongeveer drie keer meer terahertzenergie bij 10 terahertz produceert dan de opstelling met schuine bundels, terwijl een zuivere, bijna Gaussiaanse bundel behouden blijft die scherp kan worden gefocusseerd.

Balanceren van energiestroom in het kristal

Om de prestaties te begrijpen en te optimaliseren lossen de auteurs numeriek vergelijkingen op die zowel de lichtpulsen als de kristaltrillingen volgen terwijl ze door de diamant reizen. Ze vinden dat de sterkste pomp-puls sterk uitgeput raakt—het grootste deel van zijn energie wordt omgezet in de andere golven—dus eenvoudige formules die verwaarloosbare uitputting aannemen, blijken niet op te gaan. De simulaties laten zien dat wat het meest telt niet alleen is hoe sterk het kristal wordt aangedreven, maar de vorm en omvang van het trillingspatroon langs de lengte van de diamant. Als de aandrijvende pulsen te sterk of perfect afgestemd zijn, wordt de trilling zeer intens maar beperkt tot een korte regio; als ze te zwak of te sterk ontkoppeld zijn, spreidt de trilling zich uit maar bereikt nooit een grote amplitude. De sweet spot is een brede, matig sterke trillingsprofiel dat goed overlapt met de korte mid-infraroodpuls, waardoor de terahertzakoutput gemaximaliseerd wordt.

Opschalen en vooruitkijken

Met hun huidige lasersysteem genereren de onderzoekers 60-femtoseconde terahertspulsen bij 10 terahertz met 30 nanojoule aan energie, wat elektrische veldsterkten van meer dan twee miljoen volt per centimeter bereikt wanneer sterk gefocusseerd. Hun berekeningen suggereren dat iets dikkere diamanten—tot enkele millimeters—de energie met meerdere keren zouden kunnen verhogen voordat praktische grenzen, zoals beschadiging en bundelspreiding, ingrijpen. Omdat de bundels nu allemaal collineair reizen, integreert de bron natuurlijk in gangbare terahertz tijd-domein en ultrasnelle spectroscopie-opstellingen. In wezen levert dit werk door het zachtjes samendrukken van diamant en het zorgvuldig balanceren van de invoerpulsen een compacte, instelbare en intense bron die de 5–15 terahertzkloof effectief sluit en onderzoekers een krachtig nieuw instrument geeft om complex materiaalgedrag aan te drijven en te onderzoeken.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: terahertspulsen, gespannen diamant, ultrasnelle lasers, Ramanverstrooiing, quantummaterialen