نمونه‌بردارهای میدان نوری در مقیاس نانو با وضوح آتوثانیه

بالا سمت چپ: شماتیک دستگاه. بالا سمت راست: تصویری از فرآیند نمونه برداری از میدان نوری. پایین سمت چپ: عکسی از نانومدار تعبیه شده روی یک برد مدار چاپی. پایین سمت راست: میدان اندازه گیری شده (آبی) در مقایسه با میدان مورد انتظار بازسازی شده (قرمز).

تکنیک های مبتنی بر نور برای مشخص کردن نمونه ها ابزار قدرتمندی برای علم و کاربرد هستند. در حالت ایده‌آل، این تکنیک‌ها اندازه‌گیری‌هایی را با وضوح مکانی و زمانی برتر بدون آسیب رساندن به نمونه امکان‌پذیر می‌کنند. با این حال، در حالی که پیشرفت‌ها در میکروسکوپ با وضوح فوق‌العاده تصویربرداری غیر مخرب با وضوح فضایی زیر موج را ممکن می‌سازد، اندازه‌گیری‌های با حساسیت بالا با وضوح زمانی بهتر از زمان چرخه نور مرئی و مادون قرمز چالش برانگیز هستند.

این چالش توانایی ما را برای کشف بسیاری از دینامیک‌های مهم تعامل نور-ماده محدود می‌کند. برای مثال، انتقال انرژی از نور به الکترون در سیستم‌های فتوولتائیک و فتوسنتزی در مقیاس‌های زمانی فمتوثانیه و بالقوه زیر فمتوثانیه انجام می‌شود. تجسم چنین دینامیک سریعی به وضوح زمانی در حد چند فمتوثانیه یا کمتر نیاز دارد. روش‌های دستیابی به چنین وضوحی نیازمند لیزرهای بزرگ و پرقدرت، محیط‌های خلاء یا نور فرابنفش شدید است که کاربردهای آن را به شدت محدود می‌کند.

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، ما یک فناوری نمونه‌برداری فشرده و یکپارچه ایجاد کرده‌ایم که شکل موج‌های میدان الکتریکی نوری مادون قرمز نزدیک را مستقیماً در حوزه زمان قابل مشاهده است. این فناوری تنها با استفاده از انرژی‌های پالس در سطح پیکوژول به وضوح زیر چرخه نوری و زیر فمتوثانیه می‌رسد. از آنجایی که حوزه‌های زمان و فرکانس با تبدیل فوریه همبستگی دارند، اطلاعات طیفی کامل (هم دامنه و هم فاز) نیز از این اندازه‌گیری‌ها بازیابی می‌شود.

برای اندازه‌گیری میدان‌های نوری با وضوح فرعی، دستگاه‌های ما از آرایه‌هایی از نانوآنتن‌های رزونانس الکتریکی متصل شده در ترکیب با پالس‌های محرک نوری چند سیکلی استفاده می‌کنند. این نانوآنتن‌ها میدان‌های نوری تصادفی راننده را برای دستیابی به تابش نور میدان قوی تقویت می‌کنند و انفجارهای الکترون آتوثانیه‌ای ایجاد می‌کنند که پهنای باند نمونه‌گیری در سطح پتاهرتز را امکان‌پذیر می‌سازد. اسکن یک میدان الکتریکی ضعیف از یک موج سیگنال مورد علاقه در سراسر دستگاه به موقع باعث تغییر در جریان شناسایی شده بسته به جهت میدان سیگنال می شود. سپس جریان از طریق دستگاه‌ها به یک آشکارساز خارجی می‌رود، جایی که ضبط می‌شود و یک کپی کامل از موج سیگنال در زمان ارائه می‌کند.

سیستم‌های طیف‌سنجی دامنه زمانی مشابهی که در رژیم THz3 کار می‌کنند، به صورت تجاری در دسترس هستند و معمولاً برای کاربردهای صنعتی و علمی مانند آنالیز شیمیایی و مواد استفاده می‌شوند. چنین سیستم‌هایی اغلب نسبت به تکنیک‌های حوزه فرکانس مرسوم برتری دارند، اما به دلیل محدودیت‌های فناوری اساسی هنوز به مناطق مرئی و مادون قرمز نزدیک مقیاس‌بندی نشده‌اند. ما بر این باوریم که روش ما یک پلت فرم فشرده را فراهم می کند که امکان توصیف چرخه فرعی شکل موج های میدان الکتریکی نوری کم انرژی را برای طیف سنجی با تفکیک زمانی و تصویربرداری در مرئی تا مادون قرمز نزدیک فراهم می کند. به نظر ما، این پلتفرم می‌تواند بینش جدیدی را در مورد دینامیک برهم‌کنش نور-ماده، با کاربردهایی در زمینه‌هایی مانند فتوولتائیک، زیست‌شناسی، پزشکی، ایمنی مواد غذایی، سنجش گاز و کشف دارو، فراهم کند.

ضبط ۷۰ تریلیون فریم بر ثانیه توسط سریع‌ترین دوربین دنیا!

دستگاه‌هایی که به سرعت نور خاموش و روشن خواهند شد

فیزیکدانان در یک نوآوری با دستکاری الکترون‌ها با امواج نور تولید شده توسط لیزر فوق سریع، موفق به ایجاد یک نقطه عطف در توسعه دستگاه‌های الکترونیکی شده‌اند که می‌توانند با سرعت نور خاموش و روشن شوند.