Los investigadores han revelado un nuevo método de imagen que puede capturar eventos ultrarrápidos en el mundo microscópico con un detalle sin precedentes. Estos procesos, que se desarrollan en escalas de tiempo de cientos de femtosegundos (una billonésima de segundo), tradicionalmente han sido diabólicamente difíciles de estudiar. Sin embargo, la nueva técnica permite a los científicos observar estos cambios rápidos con una claridad y velocidad excepcionales.

"En los campos de la física, la química, la biología y la ciencia de materiales, muchos fenómenos importantes ocurren increíblemente rápido", dijo el líder del equipo de investigación Yunhua Yao de la Universidad Normal del Este de China. "Nuestra nueva técnica puede capturar la evolución completa tanto del brillo como de la estructura interna de un objeto en una sola medición. Este es un gran paso adelante para comprender la naturaleza fundamental de la materia, diseñar nuevos materiales e incluso descubrir los misterios de los procesos biológicos".

El equipo describió su método, conocido como imagen de femtosegundos de modulación coherente espectral-temporal comprimida (CST-CMFI), en la revista Optica. Usando este sistema, pudieron rastrear actividad ultrarrápida como la formación de plasma en el agua después de un pulso láser de femtosegundos y el comportamiento de portadores de carga excitados en un material llamado ZnSe.

"Además de ayudar a los científicos a estudiar materiales que cambian instantáneamente en respuesta a la luz láser, reacciones químicas que reorganizan átomos a la velocidad del rayo y el comportamiento dinámico de biomoléculas en escalas de tiempo increíblemente cortas, CST-CMFI podría ayudar a mejorar las tecnologías láser de alta potencia utilizadas para la investigación de energía limpia, fabricación avanzada e instrumentación científica", dijo Yao. "También podría conducir al desarrollo de electrónica más eficiente, células solares mejoradas y dispositivos más rápidos al permitir una mejor comprensión de cómo se comportan los materiales en escalas de tiempo extremadamente rápidas".

Capturando Más que Solo un Destello Pasajero

Este trabajo es parte de los esfuerzos en curso en el Laboratorio de Imagen Óptica Extrema de la Universidad Normal del Este de China. Un enfoque clave es la imagen óptica ultrarrápida de un solo disparo, que captura eventos no repetibles en una sola exposición. Las técnicas anteriores principalmente registraban cambios en el brillo o intensidad de la luz. Pero la luz también lleva información de fase, que revela cómo se dobla o cambia de velocidad. Los investigadores se propusieron capturar tanto la intensidad como la fase simultáneamente, proporcionando una imagen más completa.

Para lograr esto, combinaron mapeo tiempo-espectro, imagen espectral compresiva e imagen de modulación coherente. El sistema utiliza un pulso láser chirpado compuesto por múltiples longitudes de onda que llegan en momentos ligeramente diferentes, vinculando efectivamente el tiempo con la longitud de onda. Cuando el pulso interactúa con un evento de cambio rápido, la luz dispersada lleva información espacial, espectral y de fase detallada, que se comprime en una sola imagen. Una red neuronal informada por la física luego procesa estos datos, separando longitudes de onda y reconstruyendo tanto la intensidad como la fase a lo largo del tiempo para crear una película ultrarrápida a partir de un solo disparo.

Vistas en Tiempo Real de Plasma y Travesuras de Electrones

En las pruebas, el equipo examinó el plasma creado en el agua por un láser de femtosegundos, que podría respaldar aplicaciones como procedimientos médicos basados en láser. La imagen reveló tanto cambios de brillo como de fase dentro del canal de plasma, incluida la formación de un plasma denso de electrones libres. También estudiaron la dinámica de portadores en ZnSe para comprender cómo se mueven las cargas eléctricas después de ser excitadas por la luz, lo cual es crucial para mejorar dispositivos ópticos y electrónicos.

"Usando CST-CMFI, pudimos ver variaciones de fase asociadas con la dinámica de portadores, incluso cuando no había cambios significativos en la intensidad", dijo Yao. "Esto destaca una ventaja clave de nuestro método: Las mediciones de fase pueden ser mucho más sensibles que las mediciones de intensidad para detectar procesos ultrarrápidos sutiles".

Planes Futuros: Porque Incluso una Billonésima de Segundo No es Suficientemente Rápida

De cara al futuro, los investigadores planean aplicar el método para estudiar fenómenos adicionales como la dinámica de interfaces y transiciones de fase ultrarrápidas. Actualmente, CST-CMFI convierte información espectral en información temporal, lo que limita su capacidad para estudiar procesos altamente sensibles a cambios espectrales. Para abordar esto, el equipo apunta a combinar CST-CMFI con fotografía ultrarrápida compresiva, lo que permitiría capturar información espectral y temporal por separado, expandiendo significativamente la versatilidad de la tecnología.