Fasen og gruppens hastighed for lysformering i konventionelle optiske medier kan ikke overstige lysets hastighed i vakuum. I såkaldte Epsilon-Near-Zero (ENZ) materialer udviser lys imidlertid en uendelig fasehastighed og en forsvindende gruppehastighed for en bestemt farve (frekvens).
Indtil videre er sådanne egenskaber kun blevet observeret i meget få faste stoffer og nano-konstruerede materialer. En ny undersøgelse fra forskere fra Max Born Institute i Berlin og Tulane University i New Orleans åbner en helt ny vej ved kortvarigt at dreje almindelige væsker, såsom vand og alkoholer, til ENZ -materialer på Terahertz (THz) frekvenser gennem interaktionen med intens femtosekund laserimpulser.
Ionisering af en polær molekylær væske med femtosekund laserpulser genererer frie elektroner, der lokaliserer eller “solvat” på en femtosekundtidsskala og til sidst optager hulrum i netværket af molekyler, en forstyrret række af elektriske dipoler. Elektronens bindende energi på sin endelige placering bestemmes hovedsageligt af elektriske kræfter mellem elektronet og væskens molekylære dipoler.
Under den ultrahastiske lokaliseringsproces giver den elektriske kobling mulighed for at starte kollektive svingninger af elektronet og tusinder af flydende molekyler i nærheden. Denne excitation med mange krop kaldes Polaron og viser en tydelig frekvens i THz-området, bestemt af koncentrationen af elektroner i væsken.
Ved polaronfrekvensen krydser den dielektriske funktion og/eller brydningsindekset for væsken nullinjen, som vist på billedet ovenfor. Med andre ord skal lyshastigheden af lys ved denne frekvens nærme sig uendelighed, og gruppens hastighed af lysimpulser skal gå til nul, en adfærd, der er karakteristisk for et ENZ -materiale.
Holdet har nu demonstreret, at polære væsker, der indeholder solvaterede elektroner, repræsenterer en ny klasse af ENZ -materialer med indstillelige lysformeringsegenskaber. I den aktuelle udgave af Fysiske gennemgangsbreverapporterer de resultater fra eksperimenter, hvor elektroner i en polær væske først er blevet genereret ved femtosekund optisk ionisering og forplantningen af korte THz-pulser i dette medium med en polaronfrekvens på ca. 1,5 THz er blevet fulgt på en tidsopløst måde.
Den eksperimentelle metode giver indsigt i det THz -elektriske felt, hvilket afslører både fase- og gruppevastigheder for de forplantende THz -pulser. Både fase- og gruppehastigheder er stærkt modificeret sammenlignet med den pæne væske, og pulsehylsteret omformes, det betyder udvidet.
Som det ses på billedet ovenfor, bliver denne opførsel mest åbenlyst, når man sammenligner forplantningen af den transmitterede THz -puls (røde linjer) nedenfor og over Polaron -resonansen med THz -impulser, ). Sådanne egenskaber er et kendetegn ved ENZ -opførsel og er i tråd med teoretiske beregninger.
For applikationer er en forskydning af Polaron -frekvensen ved en simpel ændring af elektronkoncentration en mest tiltalende funktion, der tillader en kontrolleret skræddersyning af materialets ENZ -egenskaber i et frekvensområde fra ca. 0,1 til 10 THz. Disse fund baner vejen for nye teknikker til at kontrollere lysformering i væsker, hvilket muligvis giver mulighed for fremskridt inden for optisk sensing og kommunikation.