De techniek voor het genereren van hoge intensiteit, ultrakorte optische pulsen ontwikkeld door de winnaars van de Nobelprijs voor Natuurkunde 2018, Professor Gérard Mourou en Dr. Donna Strickland, vormt de basis voor belangrijke wetenschappelijke benaderingen die worden gebruikt in het onderzoek van Swinburne.

ARC Center of Excellence for Future Low Energy Electronics Technologies (FLEET) hoofdonderzoeker bij Swinburne, Universitair hoofddocent Jeff Davis, gebruikt laserpulsen van slechts enkele quadriljoensten van een seconde om nieuwe, complexe materialen die kunnen worden gebruikt in toekomstige energiezuinige elektronica.

Het vakgebied is ultrasnelle 'femtoseconde' spectroscopie – een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde.

"Deze extreem korte pulsen zijn nodig om de evolutie van subatomaire deeltjes zoals elektronen, " legt universitair hoofddocent Davis uit.

"Als je wilt meten hoe snel iets beweegt, je hebt een startpistool nodig om dingen op gang te brengen en iets om de klok te stoppen.

"In een race van 100 meter, dit is eenvoudig omdat de tijd die nodig is om 100 meter te rennen traag is in vergelijking met hoe snel je op de knoppen van een stopwatch kunt drukken.

"Maar als je de precieze evolutie van elektronen wilt meten, die hun eigenschappen of hun toestand in femtoseconden kunnen veranderen, je moet de klok veel kunnen starten en stoppen, veel sneller. Hiervoor gebruiken we femtoseconde laserpulsen."

Swinburne heeft de hoogste concentratie ultrasnelle lasersystemen op het zuidelijk halfrond, velen vertrouwen op de techniek die is ontwikkeld door Dr. Strickland en Professor Mourou. In feite, Swinburne was het eerste laboratorium in Australië dat een van deze versterkte lasersystemen installeerde, in 1998, om een ​​fundamenteel begrip van nieuwe materialen te verschaffen.

Chirped-pulsversterking

De ontwikkeling van chirped-pulse amplification (CPA) door professor Mourou en Dr. Strickland heeft wetenschappelijke ontdekkingen op een aantal gebieden mogelijk gemaakt.

CPA maakt het mogelijk om elke microseconde hoogenergetische pulsen te produceren - een miljoen pulsen per seconde - wat betekent dat spectroscopiemetingen binnen een redelijke tijd kunnen worden uitgevoerd, waardoor voldoende gegevens kunnen worden verkregen om ruisniveaus op zwakke signalen te minimaliseren.

Dit maakt het ook mogelijk om verschillende regelparameters te variëren om een ​​alomvattend beeld op te bouwen van de belangrijke factoren die de dynamiek en mechanismen van het specifieke proces van belang beïnvloeden.

De extreem hoge energie van de laserpuls zorgt ervoor dat niet-lineaire processen efficiënt zijn. Hierdoor kunnen onderzoekers de golflengte 'afstemmen', het produceren van laserlicht over het elektromagnetische spectrum, van ver infrarood, door zichtbaar licht, ultraviolet en zelfs röntgenstralen.

Vastgoed onderzoeken en tijdelijke toestanden afdwingen bij FLEET

Naast het onderzoeken van nieuwe en complexe materialen, deze energierijke, ultrakorte laserpulsen kunnen worden gebruikt om de eigenschappen van deze materialen te controleren, en zelfs hen ertoe brengen om van staat te veranderen, nieuwe kwantumtoestanden van materie worden.

"In VLOOT, we ontwikkelen manieren om tweedimensionale materialen te veranderen van triviale isolatoren in wat bekend staat als topologische isolatoren, en weer terug, " legt universitair hoofddocent Davis uit.

Topologische isolatoren zijn een relatief nieuwe staat van materie, erkend door de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2016, die geen elektriciteit door hun binnenste geleiden, maar de elektrische stroom kan zonder weerstand langs de randen stromen, en dus zonder energieverlies.

FLEET zal profiteren van deze unieke eigenschap om een ​​nieuwe generatie topologische elektronische apparaten te ontwikkelen die geen energie verspillen bij het overschakelen.

De voorgestelde technologie zou mogelijk ook veel sneller kunnen schakelen dan de huidige, elektronica op basis van silicium.

"Ultrasnelle laserpulsen zorgen voor een uitstekende controle over de eigenschappen van het materiaal, waardoor we het potentieel hebben voor ultrasnel schakelen, ", zegt universitair hoofddocent Davis.

"Deze voortreffelijke controle en onze ultrasnelle meting van dynamiek zullen ons in staat stellen deze faseovergangen volledig te begrijpen, waardoor we hun controle in toekomstige apparaten kunnen optimaliseren.

"Dus, het is fundamentele wetenschap, maar met een onmiddellijke toepassing, " legt universitair hoofddocent Davis uit.

"Deze experimenten verbeteren ons fundamentele begrip van topologische faseovergangen, en we gebruiken deze kennis in ons onderzoek naar toekomstige ultralage energie, topologisch gebaseerde elektronica."