Os cientistas pensavam que era impossível, mas geraram ondas terahertz com água

Ao iluminar uma fina película de água com pulsos de laser ultracurtos, uma equipa de físicos demonstrou algo que se pensava ser impossível: que a água líquida pode gerar ondas na frequência dos terahertz ().

As ondas terahertz (THz) são actualmente alvo de estudos de diversas equipas de cientistas, cujo objectivo é encontrar novas aplicações práticas para este tipo de radiação – como por exemplo nos campos da transmissão de dados sem fios, do controle de qualidade industrial e imagens de alta resolução com diferentes funcionalidades.

Uma equipa 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 da água absorve de forma muito intensa a luz na faixa de frequência dos THz, e durante muito tempo foi considerado muito improvável que a água líquida pudesse servir como fonte desta radiação.

A ciência já tinha provado, no entanto, que a água pode emitir luz em diversas 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 camada ultrafina 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 resolve a última peça do quebra-cabeça”, declarou Zhang à Phys.org.

“Já foram usados sólidos, gás e plasma para gerar ondas THz, mas ainda não tinha sido feito com um material no estado líquido. Neste, especialmente na água, quatro estados de matéria agora foram usados ​​como fonte de radiação terahertz”.

Nas suas experiências, os físicos focaram 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 electrões livres e, eventualmente, emitindo 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 radiações 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 descobriram também que, quando posicionado longe do ângulo de incidência 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 físicos explicam que essas observações não são totalmente explicadas pela actual compreensão dos físicos sobre os mecanismos envolvidos na geração de onda THz, e esperam que uma investigação mais aprofundada das interacções laser-água levará a uma melhor compreensão das novas observações – e possivelmente para novas aplicações.

A água é o elemento mais importante do corpo humano e do nosso planeta”, diz Zhang. “O seu uso para gerar ondas de THz é um passo para entender o seu papel nesta faixa de frequências. Anteriormente, tentávamos evitar a água na maioria das aplicações. Agora, provavelmente iremos usá-la intensamente para gerar ondas THz”.

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