Pesquisadores revelaram um novo método de imagem que pode capturar eventos ultrarrápidos no mundo microscópico com detalhes sem precedentes. Esses processos, que se desenrolam em escalas de tempo de centenas de femtossegundos (um trilionésimo de segundo), tradicionalmente têm sido diabólicamente difíceis de estudar. A nova técnica, no entanto, permite que os cientistas observem essas mudanças rápidas com clareza e velocidade excepcionais.
"Nos campos da física, química, biologia e ciência dos materiais, muitos fenômenos importantes acontecem incrivelmente rápido", disse a líder da equipe de pesquisa Yunhua Yao, da Universidade Normal do Leste da China. "Nossa nova técnica pode capturar a evolução completa tanto do brilho quanto da estrutura interna de um objeto em uma única medição. Este é um grande passo para entender a natureza fundamental da matéria, projetar novos materiais e até mesmo desvendar os mistérios dos processos biológicos."
A equipe descreveu seu método, conhecido como imagem femtossegunda de modulação coerente espectral-temporal comprimida (CST-CMFI), na revista Optica. Usando este sistema, eles conseguiram rastrear atividades ultrarrápidas como a formação de plasma na água após um pulso laser de femtossegundo e o comportamento de portadores de carga excitados em um material chamado ZnSe.
"Além de ajudar os cientistas a estudar materiais que mudam instantaneamente em resposta à luz laser, reações químicas que reorganizam átomos na velocidade da luz e o comportamento dinâmico de biomoléculas em escalas de tempo incrivelmente curtas, o CST-CMFI pode ajudar a melhorar as tecnologias de laser de alta potência usadas para pesquisa de energia limpa, manufatura avançada e instrumentação científica", disse Yao. "Também pode levar ao desenvolvimento de eletrônicos mais eficientes, células solares aprimoradas e dispositivos mais rápidos, permitindo uma melhor compreensão de como os materiais se comportam em escalas de tempo extremamente rápidas."
Capturando Mais do que Apenas um Flash Passageiro
Este trabalho faz parte dos esforços contínuos do Laboratório de Imagem Óptica Extrema da Universidade Normal do Leste da China. Um foco principal é a imagem óptica ultrarrápida de disparo único, que captura eventos não repetíveis em uma única exposição. Técnicas anteriores registravam principalmente mudanças no brilho ou intensidade da luz. Mas a luz também carrega informações de fase, que revelam como ela se dobra ou muda de velocidade. Os pesquisadores se propuseram a capturar intensidade e fase simultaneamente, fornecendo uma imagem mais completa.
Para conseguir isso, eles combinaram mapeamento tempo-espectro, imagem espectral compressiva e imagem de modulação coerente. O sistema usa um pulso laser chirp composto por múltiplos comprimentos de onda que chegam em momentos ligeiramente diferentes, efetivamente ligando o tempo ao comprimento de onda. Quando o pulso interage com um evento de mudança rápida, a luz espalhada carrega informações espaciais, espectrais e de fase detalhadas, que são comprimidas em uma única imagem. Uma rede neural informada pela física então processa esses dados, separando comprimentos de onda e reconstruindo tanto a intensidade quanto a fase ao longo do tempo para criar um filme ultrarrápido a partir de um único disparo.
Visualizações em Tempo Real de Plasma e Travessuras de Elétrons
Nos testes, a equipe examinou o plasma criado na água por um laser de femtossegundo, que poderia apoiar aplicações como procedimentos médicos baseados em laser. A imagem revelou mudanças tanto no brilho quanto na fase dentro do canal de plasma, incluindo a formação de um plasma denso de elétrons livres. Eles também estudaram a dinâmica dos portadores no ZnSe para entender como as cargas elétricas se movem após serem excitadas pela luz, o que é crucial para melhorar dispositivos ópticos e eletrônicos.
"Usando o CST-CMFI, conseguimos ver variações de fase associadas à dinâmica dos portadores, mesmo quando não havia mudanças significativas na intensidade", disse Yao. "Isso destaca uma vantagem fundamental do nosso método: medições de fase podem ser muito mais sensíveis do que medições de intensidade na detecção de processos ultrarrápidos sutis."
Planos Futuros: Porque Até um Trilionésimo de Segundo Não é Rápido o Suficiente
Olhando para o futuro, os pesquisadores planejam aplicar o método para estudar fenômenos adicionais como dinâmica de interface e transições de fase ultrarrápidas. Atualmente, o CST-CMFI converte informações espectrais em informações temporais, o que limita sua capacidade de estudar processos altamente sensíveis a mudanças espectrais. Para resolver isso, a equipe pretende combinar o CST-CMFI com fotografia ultrarrápida compressiva, o que permitiria que informações espectrais e temporais fossem capturadas separadamente, expandindo significativamente a versatilidade da tecnologia.