Begrijpen hoe lichtgolven in de tijd oscilleren terwijl ze interageren met materialen is essentieel voor het begrijpen van door licht aangedreven energieoverdracht in materialen, zoals zonnecellen of planten. Door de fantastisch hoge snelheden waarmee lichtgolven oscilleren, echter, wetenschappers moeten nog een compact apparaat ontwikkelen met voldoende tijdresolutie om ze direct vast te leggen.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van MIT-onderzoekers heeft apparaten op chipschaal gedemonstreerd die het zwakke elektrische veld van lichtgolven direct kunnen volgen terwijl ze in de tijd veranderen. hun apparaat, die een microchip bevat die korte laserpulsen en nanoschaalantennes gebruikt, is gemakkelijk te gebruiken, waarvoor geen speciale omgeving nodig is voor gebruik, minimale laserparameters, en conventionele laboratoriumelektronica.

Het werk van het team, eerder deze maand gepubliceerd in Natuurfotonica , kan de ontwikkeling mogelijk maken van nieuwe instrumenten voor optische metingen met toepassingen op gebieden als biologie, medicijn, voedselveiligheid, gasdetectie, en ontdekking van medicijnen.

"De mogelijke toepassingen van deze technologie zijn talrijk, " zegt co-auteur Phillip Donnie Keathley, groepsleider en Research Laboratory of Electronics (RLE) onderzoeker. "Bijvoorbeeld, met behulp van deze optische bemonsteringsapparatuur, onderzoekers zullen optische absorptiepaden in planten en fotovoltaïsche cellen beter kunnen begrijpen, of om moleculaire handtekeningen in complexe biologische systemen beter te identificeren."

De co-auteurs van Keathley zijn hoofdauteur Mina Bionta, een senior postdoc bij RLE; Felix Ritzkowsky, een afgestudeerde student aan de Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en de Universiteit van Hamburg die een gaststudent was van het MIT; en Marco Turchetti, een afgestudeerde student in RLE. Het team werd geleid door Keathley, die samenwerkte met professoren Karl Berggren van het MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS); Franz Kärtner van DESY en Universiteit van Hamburg in Duitsland; en William Putnam van de Universiteit van Californië in Davis. Andere co-auteurs zijn Yujia Yang, een voormalig MIT-postdoc nu aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFPL), en Dario Cattozzo Mor, een voormalige bezoekende student.

Het ultrasnelle ontmoet het ultrakleine - de tijd staat stil op de kop van een speld

Onderzoekers hebben lang gezocht naar methoden om systemen te meten als ze in de tijd veranderen. Gigahertz-golven volgen, zoals die worden gebruikt voor uw telefoon of wifi-router, vereist een tijdresolutie van minder dan 1 nanoseconde (een miljardste van een seconde). Om zichtbare lichtgolven te volgen, is een nog snellere tijdresolutie nodig - minder dan 1 femtoseconde (een miljoenste van een miljardste van een seconde).

De onderzoeksteams van MIT en DESY ontwierpen een microchip die korte laserpulsen gebruikt om extreem snelle elektronische flitsen te creëren aan de uiteinden van antennes op nanoschaal. De antennes op nanoschaal zijn ontworpen om het veld van de korte laserpuls te versterken tot het punt dat ze sterk genoeg zijn om elektronen uit de antenne te scheuren. het creëren van een elektronische flits die snel wordt afgezet in een verzamelelektrode. Deze elektronische flitsen zijn extreem kort, duurt slechts een paar honderd attoseconden (enkele honderd miljardsten van een miljardste van 1 seconde).

Met behulp van deze snelle flitsen, de onderzoekers waren in staat om snapshots te maken van veel zwakkere lichtgolven die oscilleerden terwijl ze langs de chip gingen.

"Dit werk laat zien, nog een keer, hoe de fusie van nanofabricage en ultrasnelle fysica kan leiden tot spannende inzichten en nieuwe ultrasnelle meetinstrumenten, " zegt professor Peter Hommelhoff, leerstoel voor laserfysica aan de Universiteit van Erlangen-Neurenberg, die niet bij dit werk betrokken was. "Dit alles is gebaseerd op het diepgaande begrip van de onderliggende fysica. Op basis van dit onderzoek, we kunnen nu ultrasnelle veldgolfvormen van zeer zwakke laserpulsen meten."

De mogelijkheid om lichtgolven direct in de tijd te meten, zal zowel de wetenschap als de industrie ten goede komen, zeggen de onderzoekers. Als licht interageert met materialen, zijn golven veranderen in de tijd, handtekeningen van de moleculen binnen laten. Deze optische veldbemonsteringstechniek belooft deze handtekeningen met grotere getrouwheid en gevoeligheid vast te leggen dan eerdere methoden, terwijl compacte en integreerbare technologie wordt gebruikt die nodig is voor toepassingen in de echte wereld.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.