Cercetătorii au dezvăluit o nouă metodă de imagistică care poate surprinde evenimente ultra-rapide din lumea microscopică cu o precizie fără precedent. Aceste procese, care se desfășoară pe scări de timp de sute de femtosecunde (o trilionime de secundă), au fost tradițional diabolic de greu de studiat. Noua tehnică, însă, le permite oamenilor de știință să observe aceste schimbări rapide cu o claritate și viteză excepționale.
„În domeniile fizicii, chimiei, biologiei și științei materialelor, multe fenomene importante se întâmplă incredibil de repede”, a spus liderul echipei de cercetare, Yunhua Yao de la Universitatea Normală din Estul Chinei. „Noua noastră tehnică poate surprinde evoluția completă atât a luminozității, cât și a structurii interne a unui obiect într-o singură măsurătoare. Acesta este un pas important înainte pentru înțelegerea naturii fundamentale a materiei, proiectarea de materiale noi și chiar descoperirea misterelor proceselor biologice.”
Echipa și-a descris metoda, cunoscută sub numele de imagistică femtosecundă cu modulație coerentă spectral-temporală comprimată (CST-CMFI), în revista Optica. Folosind acest sistem, au reușit să urmărească activități ultra-rapide, cum ar fi formarea plasmei în apă după un impuls laser femtosecund și comportamentul purtătorilor de sarcină excitați într-un material numit ZnSe.
„Pe lângă a ajuta oamenii de știință să studieze materiale care se schimbă instantaneu ca răspuns la lumina laser, reacțiile chimice care rearanjează atomii cu viteza fulgerului și comportamentul dinamic al biomoleculelor pe scări de timp incredibil de scurte, CST-CMFI ar putea ajuta la îmbunătățirea tehnologiilor laser de înaltă putere utilizate pentru cercetarea energiei curate, fabricarea avansată și instrumentația științifică”, a spus Yao. „Ar putea duce, de asemenea, la dezvoltarea de electronice mai eficiente, celule solare îmbunătățite și dispozitive mai rapide, permițând o înțelegere mai bună a modului în care materialele se comportă la scări de timp extrem de rapide.”
Captarea Mai Mult Decât Un Simplu Foc de Paie
Această lucrare face parte din eforturile în curs de desfășurare de la Laboratorul de Imagistică Optică Extremă de la Universitatea Normală din Estul Chinei. Un punct central este imagistica optică ultra-rapidă cu o singură expunere, care surprinde evenimente nerepetabile într-o singură captură. Tehnicile anterioare înregistrau în principal schimbări de luminozitate sau intensitate a luminii. Dar lumina poartă și informații de fază, care dezvăluie cum se îndoaie sau își schimbă viteza. Cercetătorii și-au propus să surprindă simultan atât intensitatea, cât și faza, oferind o imagine mai completă.
Pentru a realiza acest lucru, au combinat cartarea timp-spectru, imagistica spectrală compresivă și imagistica cu modulație coerentă. Sistemul folosește un impuls laser modulat alcătuit din multiple lungimi de undă care ajung la momente ușor diferite, legând efectiv timpul de lungimea de undă. Când impulsul interacționează cu un eveniment care se schimbă rapid, lumina împrăștiată poartă informații detaliate spațiale, spectrale și de fază, care sunt comprimate într-o singură imagine. O rețea neuronală bazată pe fizică procesează apoi aceste date, separând lungimile de undă și reconstruind atât intensitatea, cât și faza în timp, pentru a crea un film ultra-rapid dintr-o singură captură.
Vederi În Timp Real Ale Plasmei și Ale Escapadelor Electronilor
În testare, echipa a examinat plasma creată în apă de un laser femtosecund, care ar putea susține aplicații precum procedurile medicale bazate pe laser. Imagistica a dezvăluit atât schimbări de luminozitate, cât și de fază în canalul de plasmă, inclusiv formarea unei plasme dense de electroni liberi. Au studiat, de asemenea, dinamica purtătorilor în ZnSe pentru a înțelege cum se mișcă sarcinile electrice după ce sunt excitate de lumină, ceea ce este crucial pentru îmbunătățirea dispozitivelor optice și electronice.
„Folosind CST-CMFI, am putut vedea variații de fază asociate cu dinamica purtătorilor, chiar și atunci când nu au existat schimbări semnificative de intensitate”, a spus Yao. „Aceasta evidențiază un avantaj cheie al metodei noastre: Măsurătorile de fază pot fi mult mai sensibile decât măsurătorile de intensitate în detectarea proceselor ultra-rapide subtile.”
Planuri Viitoare: Pentru Că Nici Măcar O Trilionime De Secundă Nu Este Destul De Rapidă
Privind în viitor, cercetătorii plănuiesc să aplice metoda pentru a studia fenomene suplimentare, cum ar fi dinamica interfețelor și tranzițiile de fază ultra-rapide. În prezent, CST-CMFI convertește informațiile spectrale în informații temporale, ceea ce îi limitează capacitatea de a studia procese foarte sensibile la schimbările spectrale. Pentru a aborda acest lucru, echipa își propune să combine CST-CMFI cu fotografia ultra-rapidă compresivă, ceea ce ar permite captarea separată a informațiilor spectrale și temporale, extinzând semnificativ versatilitatea tehnologiei.