I ricercatori hanno svelato un nuovo metodo di imaging in grado di catturare eventi ultrafast nel mondo microscopico con dettagli senza precedenti. Questi processi, che si svolgono in scale temporali di centinaia di femtosecondi (un trilionesimo di secondo), sono tradizionalmente stati diabolicamente difficili da studiare. La nuova tecnica, tuttavia, permette agli scienziati di osservare questi rapidi cambiamenti con chiarezza e velocità eccezionali.
"Nei campi della fisica, chimica, biologia e scienza dei materiali, molti fenomeni importanti accadono incredibilmente veloci," ha dichiarato il capo del team di ricerca Yunhua Yao dell'Università Normale della Cina Orientale. "La nostra nuova tecnica può catturare l'evoluzione completa sia della luminosità che della struttura interna di un oggetto in una singola misurazione. Questo è un grande passo avanti per comprendere la natura fondamentale della materia, progettare nuovi materiali e persino svelare i misteri dei processi biologici."
Il team ha descritto il loro metodo, noto come imaging femtosecondo a modulazione coerente spettrale-temporale compressa (CST-CMFI), nella rivista Optica. Utilizzando questo sistema, sono stati in grado di tracciare attività ultrafast come la formazione di plasma nell'acqua dopo un impulso laser femtosecondo e il comportamento di portatori di carica eccitati in un materiale chiamato ZnSe.
"Oltre ad aiutare gli scienziati a studiare materiali che cambiano istantaneamente in risposta alla luce laser, reazioni chimiche che riorganizzano gli atomi a velocità fulminea e il comportamento dinamico delle biomolecole su scale temporali incredibilmente brevi, CST-CMFI potrebbe aiutare a migliorare le tecnologie laser ad alta potenza utilizzate per la ricerca sull'energia pulita, la produzione avanzata e la strumentazione scientifica," ha detto Yao. "Potrebbe anche portare allo sviluppo di elettronica più efficiente, celle solari migliorate e dispositivi più veloci consentendo una migliore comprensione di come i materiali si comportano a scale temporali estremamente rapide."
Catturare Più di un Semplice Lampo
Questo lavoro fa parte degli sforzi in corso presso il Laboratorio di Imaging Ottico Estremo dell'Università Normale della Cina Orientale. Un focus chiave è l'imaging ottico ultrafast a singolo scatto, che cattura eventi non ripetibili in una singola esposizione. Le tecniche passate registravano principalmente cambiamenti nella luminosità, o intensità della luce. Ma la luce trasporta anche informazioni di fase, che rivelano come si piega o cambia velocità. I ricercatori si sono prefissati di catturare sia l'intensità che la fase simultaneamente, fornendo un quadro più completo.
Per raggiungere questo obiettivo, hanno combinato mappatura tempo-spettro, imaging spettrale compressivo e imaging a modulazione coerente. Il sistema utilizza un impulso laser chirp composto da multiple lunghezze d'onda che arrivano a tempi leggermente diversi, collegando efficacemente il tempo alla lunghezza d'onda. Quando l'impulso interagisce con un evento in rapido cambiamento, la luce diffusa trasporta informazioni spaziali, spettrali e di fase dettagliate, che vengono compresse in una singola immagine. Una rete neurale informata dalla fisica elabora quindi questi dati, separando le lunghezze d'onda e ricostruendo sia l'intensità che la fase nel tempo per creare un filmato ultrafast da un singolo scatto.
Viste in Tempo Reale del Plasma e delle Birichinate degli Elettroni
Nei test, il team ha esaminato il plasma creato nell'acqua da un laser femtosecondo, che potrebbe supportare applicazioni come procedure mediche basate sul laser. L'imaging ha rivelato sia cambiamenti di luminosità che di fase all'interno del canale di plasma, inclusa la formazione di un plasma denso di elettroni liberi. Hanno anche studiato la dinamica dei portatori in ZnSe per capire come le cariche elettriche si muovono dopo essere state eccitate dalla luce, il che è cruciale per migliorare dispositivi ottici ed elettronici.
"Utilizzando CST-CMFI, siamo stati in grado di vedere variazioni di fase associate alla dinamica dei portatori, anche quando non c'erano cambiamenti significativi nell'intensità," ha detto Yao. "Questo evidenzia un vantaggio chiave del nostro metodo: le misurazioni di fase possono essere molto più sensibili delle misurazioni di intensità nel rilevare sottili processi ultrafast."
Piani Futuri: Perché Persino un Trilionesimo di Secondo Non è Abbastanza Veloce
Guardando avanti, i ricercatori intendono applicare il metodo per studiare fenomeni aggiuntivi come la dinamica delle interfacce e le transizioni di fase ultrafast. Attualmente, CST-CMFI converte le informazioni spettrali in informazioni temporali, il che limita la sua capacità di studiare processi altamente sensibili ai cambiamenti spettrali. Per affrontare questo, il team mira a combinare CST-CMFI con la fotografia ultrafast compressiva, che permetterebbe di catturare informazioni spettrali e temporali separatamente, espandendo significativamente la versatilità della tecnologia.