太赫茲波在通訊和成像等方面頗具應(yīng)用價值。強場超快激光與物質(zhì)非線性相互作用是產(chǎn)生太赫茲波的重要方式之一。等離子體、氣體、晶體等太赫茲產(chǎn)生介質(zhì)相關(guān)的實驗與理論研究較為充分。然而，液體水是很強的太赫茲波吸收介質(zhì)，尚未有其產(chǎn)生太赫茲波的報道。2017年，實驗發(fā)現(xiàn)，液體薄膜厚度或液體束直徑降到微米量級時，太赫茲波的輻射大于吸收。這開啟了液體太赫茲波研究的新方向。

近年來，液體太赫茲波領(lǐng)域有實驗報道，但實驗觀測到的較多現(xiàn)象均與其他介質(zhì)的結(jié)果不同。例如：單色激光場可以有效地產(chǎn)生液體太赫茲波，而氣體介質(zhì)需要特定相位差的雙色激光；液體太赫茲波的產(chǎn)率與驅(qū)動激光的能量是正比關(guān)系，而氣體介質(zhì)中是平方關(guān)系；在一定范圍內(nèi)液體太赫茲波的產(chǎn)率隨激光的脈沖寬度的增加而增加，而氣體介質(zhì)相反；在雙色激光的驅(qū)動下，液體太赫茲波出現(xiàn)非調(diào)制信號，在氣體介質(zhì)中卻未見類似信號。復(fù)雜無序的液相體系的理論研究一直是難題，以上現(xiàn)象難以用已有理論來解釋。科研人員只能基于之前的等離子體模型和界面效應(yīng)等，來解釋一些高光強下的宏觀實驗結(jié)果。

近日，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研究員卞學(xué)濱和博士研究生李正亮，提出了產(chǎn)生液體太赫茲波的位移電流模型，可以系統(tǒng)解釋上述實驗觀測到的系列反常現(xiàn)象。該微觀機(jī)制模型的物理圖像如圖所示：液體的無序結(jié)構(gòu)使得電子波包局域化，同時不同分子的外層電子的能量受到環(huán)境的影響而發(fā)生移動，在強場激光的作用下不同分子的外層電子發(fā)生躍遷，產(chǎn)生非對稱體系的位移電流。這些躍遷的能量差在太赫茲能量區(qū)域，進(jìn)而輻射出太赫茲波。同時，該工作表明原子核的量子效應(yīng)起到關(guān)鍵作用，并預(yù)言太赫茲輻射可以研究液體的同位素效應(yīng)。

上述成果是卞學(xué)濱團(tuán)隊在液相強場超快動力學(xué)研究領(lǐng)域繼高次諧波統(tǒng)計漲落模型之后的又一理論進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Terahertz radiation induced by shift currents in liquids為題，發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃等的支持。

液體太赫茲波產(chǎn)生的原理圖