Anyagok extrém terahertzes térben  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
113083
típus K
Vezető kutató Fülöp József András
magyar cím Anyagok extrém terahertzes térben
Angol cím Materials in Extreme Terahertz Fields
magyar kulcsszavak nemlineáris optika, THz-es impulzusok, optikai egyenirányítás
angol kulcsszavak nonlinear optics, THz pulses, optical rectification
megadott besorolás
Fizika (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)85 %
Ortelius tudományág: Optika
Biofizika (pl. transzport-mechanizmusok, bioenergetika, fluoreszcencia) (Orvosi és Biológiai Tudományok)15 %
Ortelius tudományág: Molekuláris biofizika
zsűri Fizika
Kutatóhely Nagy intenzitású terahertzes Kutatócsoport (MTA Támogatott Kutatócsoportok Irodája)
résztvevők Almási Gábor
Groma Géza
Hebling János
projekt kezdete 2015-01-01
projekt vége 2017-12-31
aktuális összeg (MFt) 20.353
FTE (kutatóév egyenérték) 5.40
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A pályázat fő tudományos célja új, perspektívikus alklmazásokhoz szükséges extrém nagyenergiájú THz-es impulzusok előállítását limitáló tényezők kísérleti vizsgálata.

1. Nagy lehetőségeket ígérő, alternatív technológiákat szeretnénk megvizsgálni extrém nagy térerősségű THz-es impulzusok előállítására, amelyek félvezetőkben való optikai egyenirányításon alapulnak.
2. Tanulmányozni szeretnénk extrém nagyintenzitású THz-es impulzusok különböző anyagokban való terjedését és anyaggal való kölcsönhatását.

Fontos terület biomolekulák THz-es vizsgálata , ami az MTA-PTE Nagyintenzitású kutatócsoport egyik fő kutatási iránya is.

3. Biomolekuláris rendszerektől eredő THz-es sugárzás részletes kísérleti vizsgálatát tervezzük ezen rendszerek töltéstranszfer-dinamikájának pontosabb megértéséhez.

Kísérleteinket a PTE-n újonnan létrehozott Nagyintenzitású Terahertzes Laboratóriumban kívánjuk elvégezni, hazai és külföldi partnereinkkel szoros együttműködésben. Laboratóriumunk THz-es csúcstechnológiával rendelkezik, ami Magyarországon egyedülálló. Jelenleg folyó fejlesztéseink révén a közeljövőben mJ energiájú THz-es impulzusok is rendelkezésre fognak állni, ami nemcsak itthon, hanem a világon is egyedülálló.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Az optikai egyenirányításon alapuló, extrém nagyenergiájú THz-es forrásoknál, valamint intenzív THz-es impulzusok alkalmazásainál fontos szerepet játszik ezen impulzusok dielektrikumokban és félvezetőkben való terjedése, illetve ilyen anyagokkal való kölcsönhatása. Extrém nagy elektromos (és mágneses) tér megváltoztathatja ezen anyagok optikai vagy egyéb tulajdonságait. Ez befolyásolja a THz-es források és berendezések működését, sőt akár roncsolódáshoz is vezethetnek. A javasolt kutatás során szeretnénk behatóan tanulmányozni több, gyakorlati szempontból érdekes anyagnál az intenzív THz-es tér hatását a törésmutatóra, abszorpcióra, a nemlineáris koeffiiciensre és egyéb anyagi jellemzőkre.

Egy másik, technológiai szempontból fontos kérdés félvezetők nagyenergiájú THz-es impulzusok keltésére való alkalmasságának kísérleti tanulmányozása.

Fényenergiát felhasználó biológiai rendszerekben - mint pl. fotoszintetikus reakciócentrumokban vagy különböző típusú rodopszinokban - a fény elnyelését ultragyors töltésszétválás követi. Feltéve, hogy a reakcióban résztvevő molekulák jelentős része makroszkópikusan orientálható és szinkronizáltan gerjeszthető, a dipólusok gyors változása elektromágneses sugárzáshoz vezet. Fel szeretnénk deríteni a folyamat mechanizmusának részleteit, amely során a fény funkcionális töltésszétválást hoz létre.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

Kutatásunk eredménye lehetővé fogja tenni extrém nagy térerősségű THz-es impulzusokat perspektívikus új alkalmazásokban használó kísérletek és berendezések részletes tervezését. Az alkalmazási lehetőségek között szerepel attoszekundumos impulzusok megnövelt hatékonyságú és sávszélességű keltése, vagy lézerrel keltett protonnyalábok utógyorsítása. Utóbbi akár kompakt, lézer alapú protonforrások építéséhez is elvezethet, amelyeket a rákgyógyászatban is lehetne használni. Kutatásunk elvezethet új, félvezető-alapú nagyenergiájú THz-es források kifejlesztéséhez is, amelyeknek számos előnyös tulajdonsága lehet a LiNbO3-alapú forrásokkal szemben.

A technológiai szempontokon túl különböző anyagok intenzív THz-es terekkel való kölcsönhatásának részletes vizsgálata alapkutatási jelentőséggel is bír többek között a szilárdtestek rácsrezgéseinek, töltéshordozó-dinamikájának és egyéb tulajdonságainak jobb megértésében. Gáz, ill. folyadék fázisban lévő molekulák nagyfokú irányítottsága fontos lehet pl. (egy-molekula)röntgendiffrakción alapuló szerkezetvizsgálatnál vagy kémiai reakciók kontrollálásánál. A biomolekuláris rendszereken tervezett vizsgálataink lehetővé teszik olyan töltésátviteli folyamatok jobb megértését, amelyek fotoszintézis vagy a látás szempontjából fontosak.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A terahertzes sugárzás frekvenciatartománya kb. 0,3-30 THz (1 mm-10 µm hullámhossz). Kompakt femtoszekundumos szilárdtest-lézerekkel pumpált THz források rohamosan növekvő számú alkalmazást tettek lehetővé az anyagtudományban, biológiában, orvosi diagnosztikában és biztonságtechnikában. Az utóbbi években skerült a lézer alapú források által keltett THz-es impulzusok energiáját és elektromos térerősségének csúcsértékét több nagyságrenddel megnövelni; ezek ma már meghaladják a 0,4 mJ-t, illetve az 1 MV/cm-t. Amikor ilyen erősségű THz-es impulzusok kölcsönhatásba kerülnek szilárd anyagokkal, azok tulajdonságai megváltozhatnak. Ennek a kölcsönhatásnak a részletei nem teljesen tisztázottak, habár az intenzív THz-es terek több nagyon perspektívikus alkalmazása megkívánná ezeket az ismereteket. Az alkalmazási lehetőségek közé tartozik pl. elektronok mozgásának nyomonkövetése atomi (attoszekundumos) időskálán, akár egyes molekulák szerkezetének vizsgálata, vagy kompakt részecskeforrások létrehozása rákterápiához. Ezen alkalmazásokhoz az is elengedhetetlen, hogy tovább növeljük az intenzív THz források teljesítményét, amihez a mi kutatásunk egy alternatív utat tár fel.

Nagyon fontos biológiai folyamatokban, mint amilyen a fotoszintézis vagy a látás, kulcsszerepet játszik a fénnyel keltett töltésszétválasztás. A töltésmozgás THz sugárzás kibocsátásával jár együtt. A méréseink orientált mintákon lehetővé fogják tenni ezen töltésszétválasztó folyamatok dinamikájának részletesebb feltárását.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The main scientific goal of our proposal is to address, by experimental studies, key points limiting current technology in reaching unprecedented THz pulse energies and field strengths required by groundbreaking new applications in high-field THz science. In particular,

1. we would like to explore promising alternative routes to highest-energy THz sources based on optical rectification (OR) of femtosecond laser pulses in semiconductors;
2. we would like to study the propagation and interaction of highest-intensity THz pulses in and with various forms of matter.

Reflecting the importance of biomolecular studies, one of the main research directions of MTA-PTE High-Field Terahertz Research Group,
3. we would like to study (weak) THz radiation originating from biomolecular systems, thereby exploring the dynamics of their functionality in detail.

The experiments are planned to be carried out in the newly established High-Field Terahertz Laboratory at University of Pécs, in close collaboration with our domestic and foreign cooperation partners. Our laboratory hosts state-of-the-art THz technology and is currently being extended to a worldwide unique facility providing unparalleled mJ-level THz pulse energies.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

Highest-energy THz sources based on optical rectification and important applications of intense THz pulses involve the proapgation and interaction of these pulses in and with dielectric and semiconductor materials. The extremely strong electric (and magnetic) fields can result in the change of the optical and other properties of these materials, which influence their performance, or may even lead to THz-induced material damage. With the proposed research we would like to explore, in case of a few practically important materials, the details of the effect of intense THz fields on refractive index, absorption, nonlinear coefficient, and other properties.

Another, more technological question is to experimentally explore the suitability of semiconductors for high-energy THz pulse generation.

In biological systems utilizing light energy, such as photosynthetic reaction centers and different types of rhodopsins, absorption of light is followed by an ultrafast charge separation process. Provided that a large set of the participating molecules can be macroscopically oriented and synchronously pumped, the corresponding rapid change of the electric dipole will be a source of electromagnetic radiation. We would like to explore in detail the mechanism in which light energy is converted into the functional charge separation.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The results of this research will enable the detailed design of experiments and devices utilizing THz pulses with extremely high field strenth for intriguing new applications. These applications include the enhancement of attosecond pulse generation by THz fields, or the post-acceleration of laser-generated proton beams which can lead to the construction of compact, entirely laser-driven particle sources suitable for hadron therapy.

Besides the technological relevance, the investigation of THz-induced change of material properties has significant fundamental importance and can lead to a better understanding of fundamental excitations especially in solids.

As an important step on this way, our research can lead to the experimental demonstration of novel, alternative, and competitive technologies in high-energy THz pulse generation based on semiconductors rather than LiNbO3. The advantage of such sources can be their robustness and superior beam quality.

The (possibly high degree of) orientation and alignment of molequles in gas and liquid phases can be relevant for structural analysis e.g. by (single-molecule) x-ray diffraction and controlling the pathway of chemical reactions.

Our research on biological systems utilizing light energy will enable a more detailed understanding of the charge separation process relevant for photosynthesis or vision.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Terahertz (THz) radiation is conventionally considered to cover the 0.3 – 30 THz frequency (1 mm – 10 µm wavelength) range. THz sources based on compact solid-state femtosecond laser sources enabled a rapidly increasing number of applications in materials science, biology, medical diagnostics, and security. In recent years the energy and the peak electric field strength of THz pulses generated by laser-based sources was increased by several orders of magnitude, now exceeding 0.4 mJ and 1 MV/cm. When such powerful THz pulses interact with solid materials, their properties can be changed. The details of the interactions are to a large extent unknown. However, very promising applications of intense THz fields require such detailed knowledge. These applications include the study of electronic processes on atomic (attosecond) time scales, structural analysis of single molecules, or the development of compact radiation sources for minimal-damage cancer therapy. For these application it is also important to further increase the performance of intense THz sources, to which our research will explore an alternative route.

Very important biological processes, such as photosynthesis or vision, involve light-induced charge separation. This is accompanied by the emission of THz radiation. Our measurements on oriented samples will enable a detailed insight into the dynamics of these charge separation processes.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
Leghangsúlyosabb kutatási irányunk hatékony terahertzes források egy új típusának kifejlesztése volt, amely nemlineáris közegként félvezető anyagot használ. Megvalósítottunk egy nagyon kompakt félvezető terahertzes forrást, amely az általunk korábban javasolt kontakt rácsos elven alapul. Ezzel a forrással százszor nagyobb hatásfokkal keltettünk intenzív terahertzes impulzusokat, mint korábban mások ugyanolyan anyagban. Ez az új technológia széles frekvenciatartományban szolgáltathat extrém intenzív, akár 20 MV/cm-t is meghaladó térerősségű impulzusokat és lehetőség van az impulzusalak formálására is. A széleskörű alkalmazási lehetőségek között az anyagtudomány mellett a terahertzes részecskegyorsítás is szerepel. Lítium-nióbát anyagú források továbbfejlesztésével is foglalkoztunk. Kidolgoztuk egy kettős – optikai és terahertz – hullámvezető szerkezetű forrás elvét, amellyel az abszorpció hatása csökkenthető. Plánparallel kristályon létrehozott lépcsős rács alkalmazását javasoltuk nagy energiára egyszerűen skálázható, jól fókuszálható forrás megvalósításához. Nagy hangsúlyt kapott a terahertzes spektroszkópiai berendezések fejlesztése. Nemlineáris terahertzes spektroszkópiai vizsgálatokhoz terahertz pumpa–terahertz próba berendezéseket építettünk. Megkezdtük a terahertzes technológia, az anyagtudomány és a biológia szempontjából érdekes minták vizsgálatát.
kutatási eredmények (angolul)
The main research direction was the development of a new class of terahertz sources, which utilizes semiconductor materials as the nonlinear medium. A very compact semiconductor terahertz source has been demonstrated, which is based on the contact-grating principle proposed earlier by us. We have generated intense terahertz pulses with 100 times higher efficiency than others previously in the same material. This new technology is scalable to deliver extremely intense terahertz pulses with field strengths up to >20 MV/cm and the terahertz pulseform can also be controlled. The broad range of possible applications include, besides materials science, terahertz-driven particle acceleration. Another topic of our research was the development of terahertz sources based on lithium niobate. We have proposed a terahertz source based on the new concept of a double (optical and terahertz) waveguide structure to reduce the effect of absorption. We have proposed to use a stair-step echelon, formed on a planparallel crystal plate, for the realization of a source with excellent focusability and easy scalability to high pulse energies. The third important direction was the development of novel terahertz spectroscopic devices. We have constructed terahertz pump—terahertz probe devices for nonlinear terahertz spectroscopic studies. We have started the investigation of samples interesting for terahertz technology, materials science, and biology.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=113083
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
P. S. Nugraha, G. Krizsán, Gy. Polónyi, M. I. Mechler, J. Hebling, Gy. Tóth, J. A. Fülöp: Efficient semiconductor multicycle terahertz pulse source, Submitted to J. Phys. B, 2018
B. Monoszlai, P. S. Nugraha, Gy. Polónyi, L. Pálfalvi, Gy. Tóth, L. Nasi, Z. Ollmann, E. J. Rohwer, G. Gäumann, T. Feurer, J. Hebling, and J. A. Fülöp: Four-photon absorption in semiconductors, 14th International Conference on Multiphoton Processes (ICOMP 2017), 24-27 September 2017, Budapest, Hungary, 2017
Gy. Polónyi, Zs. Nagy-Csiha, S. Li, B. Monoszlai, Gy. Garab, J. Hebling, G. I. Groma, J. A. Fülöp: Terahertz Spectroscopy of Light-Harvesting Biological Systems, IV Summer School “Photonics Meets Biology”, 19-22 September 2017, Tarragona, Spain, 2017
J. A. Fülöp, L. Pálfalvi, and J. Hebling: Intense Terahertz Sources for Nonlinear Interactions, 32nd International Union of Radio Science General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS), 19-26 August 2017, Montreal, Canada, invited talk D13-1, 2017
L. Pálfalvi, Z. Ollmann, L. Tokodi, and J. Hebling: Hybrid tilted-pulse-front excitation scheme for efficient generation of high-energy terahertz pulses, Opt. Express 24, 8156, 2016
L. Tokodi, J. Hebling, L. Pálfalvi: Optimization of the Tilted-Pulse-Front Terahertz Excitation Setup Containing Telescope, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 38, 22, 2017
B. Monoszlai, Gy. Polónyi, L. Dani, M. Mechler, G. Andriukaitis, A. Pugzlys, A. Baltuska, J. Hebling, J. A. Fülöp: Generation of high-energy terahertz pulses in LiNbO3 pumped by multi-millijoule 200-fs and 500-fs pulses, 5th EOS Topical Meeting on Terahertz Science & Technology (TST 2016), 8-11 May 2016, Pécs, Hungary, 2016
Cs. Lombosi, Gy. Polónyi, M. Mechler, Z. Ollmann, J. Hebling, J.A. Fülöp: Nonlinear distortion of intense THz beams, New J. Phys. 17, 083041, 2015
L. Pálfalvi, J. A. Fülöp, J. Hebling: Absorption-reduced waveguide structure for efficient THz generation, Appl. Phys. Lett. 107, 233507, 2015
Gy. Tóth, L. Pálfalvi, L. Tokodi, J. Hebling, J. A. Fülöp: Scalable broadband OPCPA in lithium niobate with signal angular dispersion, Opt. Commun. 370, 250, 2016
J. A. Fülöp, Gy. Polónyi, B. Monoszlai, G. Andriukaitis, T. Balciunas, A. Pugzlys, G. Arthur, A. Baltuska, J. Hebling: Highly efficient scalable monolithic semiconductor terahertz pulse source, Optica 3, 1075, 2016
Gy. Polónyi, B. Monoszlai, G. Gäumann, E. J. Rohwer, G. Andriukaitis, T. Balciunas, A. Pugzlys, A. Baltuska, T. Feurer, J. Hebling, J. A. Fülöp: High-energy THz pulses from semiconductors pumped beyond the three-photon absorption edge, Opt. Express 24, 23872, 2016
E. Kaksis, G. Almási, J. A. Fülöp, A. Pugžlys, A. Baltuška, G. Andriukaitis: 110-mJ 225-fs cryogenically cooled Yb:CaF2 multipass amplifier, Opt. Express 24, 28915, 2016
Gy. Polónyi, M. Mechler, J. Hebling, J. A. Fülöp: Prospects of semiconductor Terahertz pulse sources, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 23, 8501208, 2017
L. Pálfalvi, Gy. Tóth, L. Tokodi, Zs. Márton, J. A. Fülöp, G. Almási, J Hebling: Numerical investigation of a scalable setup for efficient terahertz generation using a segmented tilted-pulse-front excitation, Opt. Express 25, 29560, 2017
Gy. Tóth, J. A. Fülöp, J. Hebling: Periodically intensity-modulated pulses by optical parametric amplification for multicycle tunable terahertz pulse generation, Opt. Express 23, 28258, 2017
Cs. Lombosi, Gy. Polónyi, M. Mechler, Z. Ollmann, J. Hebling, J.A. Fülöp: Nonlinear distortion of intense THz beams, New J. Phys. 17, 083041, 2015
L. Pálfalvi, J. A. Fülöp, J. Hebling: Absorption-reduced waveguide structure for efficient THz generation, Appl. Phys. Lett. 107, 233507, 2015
Gy. Tóth, L. Pálfalvi, J. Hebling, J. A. Fülöp: Scalable broadband OPCPA in LiNbO3 with signal angular dispersion, Submitted to Opt. Commun., 2016
G. I. Groma: Light-induced ultrafast charge translocation and coherent nuclear vibration in bacteriorhodopsin, Workshop “Crystallography, Spectroscopy And Microscopy Of Photosynthetic Protein Complexes”, September 18-19, 2015, Szeged, 2015
Gy. Polónyi, Z. Ollmann, G. Gäumann, Cs. Lombosi, T. Feurer, J. Hebling, J.A. Fülöp: Routes to High-Energy THz Pulse Generation: LiNbO3 and Semiconductors, German THz Conference 2015, 8-10 June 2015, Dresden, Germany, 2015
Cs. Lombosi, I. Márton, Z. Ollmann, J. Hebling, Gy. Farkas, P. Dombi, J.A. Fülöp: THz-induced strong-field electron emission from a gold surface, CLEO/Europe - EQEC 2015, 21-25 June 2015, Munich, Germany, CC-3.1 SUN, 2015
Gy. Tóth, L. Pálfalvi, L. Tokodi, J. Hebling, J. A. Fülöp: Scalable broadband OPCPA in lithium niobate with signal angular dispersion, Opt. Commun. 370, 250, 2016
J. A. Fülöp, Gy. Polónyi, B. Monoszlai, G. Andriukaitis, T. Balciunas, A. Pugzlys, G. Arthur, A. Baltuska, J. Hebling: Highly efficient scalable monolithic semiconductor terahertz pulse source, Optica 3, 1075, 2016
Gy. Polónyi, B. Monoszlai, G. Gäumann, E. J. Rohwer, G. Andriukaitis, T. Balciunas, A. Pugzlys, A. Baltuska, T. Feurer, J. Hebling, J. A. Fülöp: High-energy THz pulses from semiconductors pumped beyond the three-photon absorption edge, Opt. Express 24, 23872, 2016
E. Kaksis, G. Almási, J. A. Fülöp, A. Pugžlys, A. Baltuška, G. Andriukaitis: 110-mJ 225-fs cryogenically cooled Yb:CaF2 multipass amplifier, Opt. Express 24, 28915, 2016




vissza »