科学者たちが、まばたきする時間よりもはるかにはるかに速い瞬間に起こることをついに捉えた

研究者たちは、超高速現象を前例のない詳細さで捉える新しい撮像法を発表した。数百フェムト秒（1兆分の1秒）の時間スケールで展開するこれらのプロセスは、従来、悪魔的に研究が困難だった。しかし、この新技術により、科学者たちはこれらの急速な変化を例外的な明瞭さと速さで観察できるようになった。

「物理学、化学、生物学、材料科学の分野では、多くの重要な現象が信じられないほど速く起こります」と、華東師範大学の研究チームリーダーであるYunhua Yao氏は述べた。「私たちの新技術は、単一の測定で物体の明るさと内部構造の完全な進化を捉えることができます。これは、物質の基本的な性質を理解し、新しい材料を設計し、さらには生物学的プロセスの謎を解明するための大きな前進です。」

チームは、圧縮スペクトル時間コヒーレント変調フェムト秒イメージング（CST-CMFI）として知られる彼らの手法を、ジャーナルOpticaで説明した。このシステムを使用して、彼らはフェムト秒レーザーパルス後の水中でのプラズマ形成や、ZnSeと呼ばれる材料中の励起電荷キャリアの挙動などの超高速活動を追跡することができた。

「レーザー光に応答して瞬時に変化する材料、稲妻の速さで原子を再配置する化学反応、信じられないほど短い時間スケールでの生体分子の動的挙動を科学者が研究するのを助けるだけでなく、CST-CMFIは、クリーンエネルギー研究、高度な製造、科学計測に使用される高出力レーザー技術の改善に役立つ可能性があります」とYao氏は述べた。「また、材料が極めて速い時間スケールでどのように振る舞うかをよりよく理解することで、より効率的な電子機器、改良された太陽電池、より高速なデバイスの開発につながるかもしれません。」

一瞬の閃光以上のものを捉える

この研究は、華東師範大学の極限光学イメージング研究所で進行中の取り組みの一部である。重要な焦点は、単発超高速光学イメージングであり、これは非反復事象を単一露光で捉える。過去の技術は主に明るさ、つまり光強度の変化を記録していた。しかし、光は位相情報も運び、それは光がどのように曲がるか、または速度を変えるかを明らかにする。研究者たちは、強度と位相の両方を同時に捉え、より完全な像を提供することを目指した。

これを達成するために、彼らは時間スペクトルマッピング、圧縮スペクトルイメージング、コヒーレント変調イメージングを組み合わせた。このシステムは、わずかに異なる時間に到着する複数の波長で構成されるチャープレーザーパルスを使用し、効果的に時間を波長に関連付ける。パルスが高速変化事象と相互作用すると、散乱光は詳細な空間的、スペクトル的、位相情報を運び、それが単一の画像に圧縮される。物理情報ニューラルネットワークがこのデータを処理し、波長を分離し、時間経過に伴う強度と位相の両方を再構築して、単発から超高速ムービーを作成する。

プラズマと電子のいたずらのリアルタイムビュー

テストでは、チームはフェムト秒レーザーによって水中に生成されたプラズマを調べた。これは、レーザーベースの医療処置などの応用をサポートする可能性がある。イメージングは、プラズマチャネル内の明るさと位相の両方の変化、高密度自由電子プラズマの形成を含めて明らかにした。彼らはまた、光によって励起された後に電荷がどのように移動するかを理解するために、ZnSe中のキャリアダイナミクスを研究した。これは、光学および電子デバイスを改善するために重要である。

「CST-CMFIを使用して、強度に有意な変化がなかった場合でも、キャリアダイナミクスに関連する位相変動を見ることができました」とYao氏は述べた。「これは私たちの手法の重要な利点を強調しています：位相測定は、微妙な超高速プロセスを検出する際に、強度測定よりもはるかに敏感である可能性があります。」

将来の計画：1兆分の1秒でさえ十分に速くないから

今後を見据えて、研究者たちは、界面ダイナミクスや超高速相転移などの追加の現象を研究するためにこの手法を適用する計画である。現在、CST-CMFIはスペクトル情報を時間情報に変換するため、スペクトル変化に非常に敏感なプロセスを研究する能力が制限されている。これに対処するために、チームはCST-CMFIと圧縮超高速写真法を組み合わせることを目指しており、これによりスペクトル情報と時間情報を別々に捉えることが可能になり、技術の汎用性が大幅に拡大する。