A radiação de terahertz (THz) de campo forte, com comprimento de onda continuamente ajustável, possui grande valor de aplicação em pesquisas científicas de ponta, como materiais quânticos, catálise molecular, ciências da vida, óptica não linear e supercondutividade induzida por campo, bem como em tecnologias-chave como comunicações de próxima geração, monitoramento meteorológico e ambiental, detecção de segurança e radar. No entanto, atualmente, a geração internacional de radiação THz de campo forte está concentrada principalmente na faixa de baixa frequência de 0,1–5 THz. Como alcançar radiação THz contínua e ajustável com alta intensidade na faixa de 5–30 THz tem sido um desafio técnico crítico ainda não resolvido nesse campo.

O laser de elétrons livres, como fonte avançada capaz de gerar radiação THz de alta potência e comprimento de onda continuamente ajustável, oferece um novo caminho para superar esse desafio. Especialmente, desenvolver fontes THz de campo forte baseadas em instalações de laser de elétrons livres de raios X de alto ganho promete avanços significativos na tecnologia de “bombeamento THz – detecção por raios X”. Entretanto, atualmente, poucas instalações internacionais de laser de elétrons livres de raios X podem gerar radiação THz continuamente ajustável, e muitas usam esquemas de compressão de feixe, limitando o alcance de ajuste de frequência e a energia da radiação, dificultando atender às demandas de experimentos científicos avançados e aplicações industriais.

Para superar o desafio internacional de gerar radiação THz de campo forte continuamente ajustável na faixa de 5–30 THz, a equipe de laser de elétrons livres do Instituto de Pesquisa Avançada de Xangai da Academia Chinesa de Ciências (doravante “Shanghai High Research Institute – SHRI”) desenvolveu desde 2021 um novo esquema baseado em controle do feixe de elétrons por laser de batimento de frequência, utilizando efeitos coletivos do feixe para reforçar microaglomerações, produzindo assim laser de elétrons livres THz de campo forte continuamente ajustável em ampla faixa. Paralelamente, a equipe desenvolveu de forma independente um wiggler eletromagnético de alta intensidade com dupla periodicidade comutável, fornecendo suporte teórico e técnico essencial para experimentos subsequentes.

Com base na grande instalação científica fotônica da China — a instalação de Laser de Elétrons Livres de Raios X Suaves de Xangai (SXFEL) — a equipe de pesquisa validou recentemente pela primeira vez a viabilidade do esquema e gerou radiação THz continuamente ajustável na faixa de 7–30 THz (comprimento de onda de aproximadamente 10–40 μm), alcançando a maior luminância de pico internacionalmente registrada para THz. A energia de pulso único dessa fonte chega a 400 μJ, a largura espectral (FWHM) varia de 7,7% a 14,7%, a flutuação de energia (RMS) é inferior a 10%, o comprimento do pulso pode ser ajustado flexivelmente entre 300 fs e 3 ps, e a frequência máxima de repetição alcança 50 Hz. Combinando futuramente com aceleradores supercondutores de onda contínua, a frequência de repetição poderá atingir a ordem de MHz. Este resultado expande significativamente os limites de desempenho da radiação THz de campo forte, estabelecendo uma base sólida para pesquisas científicas de ponta e aplicações industriais críticas.

O trabalho relacionado foi publicado online na Nature Photonics com o título “Continuous THz Band Coverage through Precise Electron Beam Tailoring in Free-electron Lasers”. O primeiro autor é o pós-doutor Kang Yin do SHRI, co-primeiro autor é o doutorando Li Tong da Universidade de Tsinghua, e os autores correspondentes são o engenheiro sênior Zhang Kaiqing, o pesquisador Feng Chao do SHRI e o acadêmico Zhao Zhentang.

Esta pesquisa recebeu apoio da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, do Projeto de Inovação SHRI – Programa de Incubação e do Programa de Equipes de Jovens Cientistas Estáveis da Academia Chinesa de Ciências.

Link do artigo: https://www.nature.com/articles/s41566-025-01775-1