Cientistas pensavam que era impossível, mas conseguiram gerar ondas terahertz com água

Ao iluminar uma fina película de água com pulsos de laser ultracurtos, físicos demonstraram algo que se pensava que era impossível: que a água líquida pode gerar ondas de terahertz (THz).

Estas ondas estão atualmente sob o foco da pesquisa com o objetivo de descobrir novas aplicações para elas, tais como transmissão de dados sem fio, controle de qualidade industrial e imagens de alta resolução com diferentes funcionalidades.

Uma equipe de investigadores do Instituto de Óptica da Universidade de Rochester em Nova York, e da Universidade ITMO em São Petersburgo, na Rússia, liderada pelos físicos Xi Cheng Zhang e M. Parker Givens, apresentaram um estudo, publicado na Applied Physics Letters, no qual demonstram a geração de ondas de THz a partir da água.

O resultado é surpreendente, porque a estrutura aquática absorve de modo muito intenso a luz na faixa de frequência de THz, e por um longo tempo pareceu muito improvável que a água líquida pudesse servir como fonte dessa radiação.

A ciência já havia comprovado, no entanto, que a água pode emitir luz em outras frequências, incluindo a luz branca, e que o vapor de água pode emitir ondas THz.

A chave para obter água líquida e gerar ondas de THz, como os cientistas mostram no novo estudo, é usar uma película muito fina de água em fluxo livre, com menos de 200 μm de espessura.

“Embora seja muito cedo para prever quaisquer aplicações industriais ou comerciais para o nosso trabalho neste momento, acho que ele traz a última peça do quebra-cabeça”, disse Zhang à Phys.org.

“O sólido, o gás e o plasma já foram usados ​​na geração de ondas THz, mas não o estado líquido. Neste, especialmente na água, quatro estados de matéria agora foram usados ​​como fonte de terahertz”.

Nos experimentos, os pesquisadores focalizaram pulsos de laser durante cerca de um picossegundo (10-12 segundos)dentro do filme de água. Os pulsos de laser criam um plasma, que ioniza as moléculas de água, gerando elétrons livres e, eventualmente, emite radiação THz.

Jin et al. / American Institute of Physics

Configuração experimental usada para gerar ondas THz focando um raio laser numa camada fina de água

Pesquisas anteriores mostraram que as ondas de THz podem ser geradas a partir de várias outras fontes, incluindo o plasma de ar. No entanto, os cientistas, no novo estudo, descobriram que a radiação THz da água apresenta características muito diferentes em comparação com a radiação THz do plasma no ar.

Por exemplo, uma aplicação do pulso de laser mais longa aumenta a quantidade de energia de radiação THz gerada a partir da água, mas para o plasma de ar o oposto é que é verdadeiro: um pulso mais curto aumenta a radiação THz.

Os cientistas também descobriram que, quando posicionado longe do ângulo de incidente normal da excitação óptica, a força da radiação THz da água depende da polarização do raio laser, enquanto a radiação THz do plasma de ar é independente da polarização.

Os pesquisadores explicam que essas observações não podem ser totalmente explicadas pela compreensão atual dos físicos sobre os mecanismos envolvidos na geração de onda THz.  Eles esperam que uma investigação mais aprofundada das interações laser-água levará a uma melhor compreensão da física por trás das novas observações e possivelmente para novas aplicações.

A água é o elemento mais importante do corpo humano e do planeta”, disse Zhang. “O uso dela para gerar ondas de THz é um passo para entender seu papel nesta faixa de frequência. Anteriormente, tentamos evitar a água na maioria dos aplicativos THz. Agora, provavelmente a usaremos para a geração de ondas intensas de THz”.

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