近日，电机系付洋洋课题组在微尺度放电等离子体基础理论方面取得重要研究进展。相关成果以“field-emission-induced terahertz plasma waves and instabilities in microdischarges”为题，发表在物理学著名期刊《物理评论快报》（physical review letters）上，论文第一作者为电机系2022级博士生陈健东，电机系付洋洋副教授为论文唯一通讯作者，其他合作者包括：电机系2023级博士生林楚彬、密歇根大学安娜堡分校peng zhang副教授、密歇根州立大学john p. verboncoeur教授与新加坡科技设计大学lay kee ang教授。
微等离子体是指受限于亚毫米以下极小空间区域的等离子体。相比于常规等离子体，空间尺寸的缩小使得微等离子体具有超高电子密度、高气压稳定等独特物理性质，其特征频率位于太赫兹乃至红外波段，是一种极具潜力的微型化太赫兹源。尽管在真空电子器件领域，利用热发射或光电发射产生微间隙虚阴极振荡是获得太赫兹信号的重要手段，但场发射驱动的真空器件往往难以实现稳定的自激振荡。付洋洋课题组于2024年揭示了场发射诱导的空间电荷效应及自激振荡机理[plasma sources sci. technol. 33, 045001 (2024)]，从理论上阐明了微等离子体中的离子对不稳定性的促进作用，为微等离子体太赫兹源的研究奠定了基础。
近日，付洋洋课题组在该领域又取得了突破性进展：报道了微等离子体能够激发两种物理机制各异但相互“共生”的太赫兹波，结合第一性粒子模拟、等离子体流体理论及微扰分析，从数学上揭示了双太赫兹波的物理起源。
研究团队构建了考虑阴极场发射、阳极二次电子倍增（multipactor）及电子碰撞等物理过程的全动理学粒子仿真模型，如图1所示。为精确描述微放电皮秒尺度内的早期超快物理过程，模拟中引入了飞秒量级的分布式电子发射时延。研究发现，系统内存在两类太赫兹波：第一类太赫兹波在阴极鞘层处被激发，频率高达数百thz，源于空间电荷效应导致的间歇性场发射；第二类太赫兹波在主等离子体区被激发，频率约为数十thz，源于阴极场发射电子与阳极二次电子之间形成的双流不稳定性。
图1 微放电物理过程示意图
图2展示的电子相空间存在着明显的“电子洞”结构，这是双流不稳定性的典型特征。研究团队开展了测试粒子轨迹计算，结果表明：低能电子会被波动势场俘获并限制在电子洞内，呈现出复杂的往复运动轨迹，这种俘获效应极大增加了电子在间隙内的实际运动路径，使其远超电子平均自由程。本研究突破了传统上对微间隙放电的认知，证明了即使在间隙距离与自由程接近的微等离子体系统中，依然存在剧烈的电子碰撞电离效应，并深刻影响着太赫兹波的激发过程。
图2 相空间“电子洞”随时间的演化图像
研究团队基于微扰理论和简正模分析进一步推导了包含碰撞、电离及热效应的广义色散关系，并确定了高能场发射电子是激发双流不稳定性的关键诱因。本研究证实了微等离子体在产生超快太赫兹信号方面的巨大潜力，为未来研制小型化、芯片化的高功率太赫兹器件开辟了新的技术路径。
研究成果以“field-emission-induced terahertz plasma waves and instabilities in microdischarges”为题发表在学术期刊《物理评论快报》（prl）上。论文第一作者为电机系2022级博士生陈健东，通讯作者为付洋洋副教授。研究期间，课题组与麻省理工学院ian hutchinson教授等领域资深专家进行了有益讨论。该研究工作得到了教育部基础学科和交叉学科突破计划、清华大学电机系有组织科研支持项目、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等基金项目的支持。
通讯作者简介：
付洋洋，电机系特别研究员、副教授、博士生导师，高电压与绝缘技术研究所副所长，气体放电与等离子体实验室主任。主要研究方向为气体放电与等离子体，包括：微间隙放电与微等离子体、放电相似性与标度律、低气压射频放电、高气压脉冲放电、激光维持等离子体等。担任 high voltage、 pulsed power、plasma science and technology、ieee transactions on plasma science、frontiers in physics等期刊编委/副编辑，ieee 高级会员，中国电工技术学会高级会员，中国电工技术学会等离子体专委会委员，中国核学会脉冲功率技术及其应用分会理事，中国物理学会静电专委会青年委员。入选国家海外高层次人才引进计划（青年项目）。作为项目负责人，主持国家自然科学基金原创探索计划项目、面上项目、清华大学自主创新课题、清华大学电机系有组织科研、企业横项课题等科研项目二十余项。曾获教育部高等学校科学研究优秀成果奖、ieee等离子体科学国际会议（icops）最佳论文奖、ieee核与等离子体学会（npss）早期成就奖（early achievement award）、亚太物理学会青年学者奖（u40）等荣誉。多次担任ieee icops、ieee ppps、aps gec等国际会议分会主席。在prl、pre、prapplied、apl等领域内重要期刊发表sci论文100余篇、会议论文及摘要集100余篇，授权美国专利（第一发明人）1项。在本领域学术会议做大会报告2次，主旨报告及特邀报告 40 余次。指导学生获国际学术会议（ieee icops、ieee ppps、icpsa）最佳论文奖、蔡诗东等离子体物理优秀博士学位论文奖等学术荣誉。
论文链接：
j. chen, c. lin, p. zhang, j. p. verboncoeur, l. k. ang, and y. fu*, “field-emission-induced terahertz plasma waves and instabilities in microdischarges”, physical review letters 136, 075001 (2026)
doi: 10.1103/mlrj-9s8s
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/mlrj-9s8s
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