Понимание того, как световые волны колеблются во времени при взаимодействии с материалами, необходимо для понимания передачи энергии под действием света в материалах, таких как солнечные батареи или растения. Однако из-за фантастически высоких скоростей, с которыми колеблются световые волны, ученым еще предстоит разработать компактное устройство с достаточным временным разрешением, чтобы непосредственно их уловить.
Команда исследователей из Массачусетского технологического института продемонстрировала устройства в масштабе микросхемы, которые могут напрямую отслеживать слабое электрическое поле световых волн по мере их изменения во времени. Их устройство, которое включает микрочип, который использует короткие лазерные импульсы и наноразмерные антенны, прост в использовании, не требует специальной среды для работы, минимальных параметров лазера и традиционной лабораторной электроники.
Работа команды, опубликованная ранее в этом месяце в Nature Photonics , может позволить разработать новые инструменты для оптических измерений с приложениями в таких областях, как биология, медицина, безопасность пищевых продуктов, обнаружение газов и открытие лекарств.
«У этой технологии много потенциальных применений», — говорит соавтор Филлип Донни Китли, руководитель группы и научный сотрудник Исследовательской лаборатории электроники (RLE). «Например, используя эти оптические устройства для отбора проб, исследователи смогут лучше понять пути оптического поглощения в растениях и фотогальванике или лучше идентифицировать молекулярные сигнатуры в сложных биологических системах».
Сверхбыстрое встречается с ультрамалым
Исследователи давно ищут методы измерения систем, изменяющихся во времени. Для отслеживания гигагерцовых волн, таких как те, которые используются в вашем телефоне или маршрутизаторе Wi-Fi, требуется временное разрешение менее 1 наносекунды (одна миллиардная секунды). Для отслеживания видимых световых волн требуется еще более быстрое разрешение по времени — менее 1 фемтосекунды (одна миллионная от одной миллиардной секунды).
Исследовательские группы MIT и DESY разработали микрочип, который использует короткие лазерные импульсы для создания чрезвычайно быстрых электронных вспышек на концах наноразмерных антенн. Наноразмерные антенны предназначены для усиления поля короткого лазерного импульса до такой степени, что они становятся достаточно сильными, чтобы вырывать электроны из антенны, создавая электронную вспышку, которая быстро осаждается на собирающем электроде. Эти электронные вспышки очень короткие, длятся всего несколько сотен аттосекунд (несколько сотых миллиардных долей одной миллиардной доли секунды).
Используя эти быстрые вспышки, исследователи смогли сделать снимки гораздо более слабых световых волн, колеблющихся при прохождении мимо чипа.
«Эта работа еще раз показывает, как слияние нанотехнологий и сверхбыстрой физики может привести к захватывающим открытиям и новым инструментам сверхбыстрых измерений», — говорит профессор Питер Хоммельхофф, заведующий кафедрой лазерной физики в Университете Эрлангена-Нюрнберга, который не имел отношения к эта работа. «Все это основано на глубоком понимании физики, лежащей в основе. Основываясь на этом исследовании, теперь мы можем измерять формы волн сверхбыстрого поля очень слабых лазерных импульсов ».
По словам исследователей, возможность прямого измерения световых волн во времени принесет пользу как науке, так и промышленности. Когда свет взаимодействует с материалами, его волны меняются во времени, оставляя следы молекул внутри. Этот метод выборки оптического поля обещает захватить эти сигнатуры с большей точностью и чувствительностью, чем предшествующие методы, при этом используется компактная и интегрируемая технология, необходимая для реальных приложений.