Os lasers de modo bloqueado emitem trens de pulsos ópticos de ruído ultrabaixo em taxas de micro-ondas com extrema precisão. Cientistas do DESY desenvolveram, pela primeira vez, um metrônomo a laser que pode sincronizar vários lasers e fontes de micro-ondas com a precisão de attossegundos em uma rede com um quilômetro de extensão. Crédito:DESY / Polina Şafak
Cientistas do DESY criaram o "metrônomo" mais preciso do mundo para uma rede de um quilômetro de extensão. O sistema de cronometragem sincroniza uma rede de micro-ondas a laser de 4,7 quilômetros de comprimento com uma precisão de 950 attossegundos. Um attossegundo é um quintilionésimo de segundo, ou um milionésimo de um milionésimo de um milionésimo de um segundo. Essas instalações podem fornecer a batida para gravar instantâneos ultrarrápidos de raios-X de processos dinâmicos no mundo das moléculas e dos átomos. A equipe germano-americana em torno do cientista DESY, Prof. Franz X. Kärtner, do Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) de Hamburgo, relata o feito em um jornal científico. Light:Ciência e Aplicações .
"A extrema precisão de tempo é importante para muitas áreas de pesquisa, "diz o estudante de doutorado Kemal Şafak do grupo de Kärtner, um dos principais autores do artigo. "Por exemplo, tarefas desafiadoras de geodésia exigem sincronização de sinal com precisão de picossegundos, que é um trilionésimo de segundo. Navegação de alta precisão e arranjos de multi-telescópios para astronomia precisam de uma precisão ainda maior de até 40 femtossegundos. "Um femtossegundo é um quatrilionésimo de segundo, ou 1000 attosegundos.
Centros de pesquisa como o DESY que trabalham com lasers de elétrons livres de raios-X (XFELs) visam tirar instantâneos de processos ultrarrápidos no nanocosmos, por exemplo, dinâmica estrutural de biomoléculas ou reações químicas. "Os raios X fornecem excelente resolução espacial na escala dos átomos, "explica Şafak." O desafio é alcançar a resolução temporal necessária na escala de attossegundos, onde processos moleculares e atômicos importantes acontecem. "
O laser de elétrons livres pioneiro do DESY, FLASH, já apresenta uma impressionante precisão de tempo de 30 femtossegundos em toda a instalação. Isso é importante para os chamados experimentos de sonda de bomba, onde um processo dinâmico - uma reação química, por exemplo - é iniciado com um pulso de laser e analisado com outro pulso de laser após um atraso bem definido. Repetir o experimento com tempos de atraso crescentes lentamente produz uma série de instantâneos e cria um filme em câmera super lenta da reação ou processo sob investigação. Sem sincronização entre os pulsos, a dinâmica não pode ser resolvida claramente no filme.
Vista de uma parte da configuração do laser no laboratório. Crédito:DESY / Kemal Şafak
"Se pudermos alcançar uma precisão ainda melhor, isso prometeria uma ciência radicalmente nova ao lançar luz sobre os processos moleculares e atômicos que acontecem na escala de tempo dos attossegundos. Espera-se que isso revolucione muitos campos de pesquisa, da biologia estrutural à ciência dos materiais e da química à física fundamental, "explica Kärtner, que também é professor de Física na Universidade de Hamburgo e continua a dirigir programas de pesquisa ativos no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), onde ele começou a trabalhar em sistemas de distribuição de tempo de alta precisão há mais de uma década.
"Instalações como XFELs e centros de atociência baseados em laser exigem sincronização de nível de attossegundo em todo o sistema de dezenas de sinais ópticos e de micro-ondas, frequentemente em distâncias de quilômetros, "acrescenta Kärtner. Para isso, os pesquisadores desenvolveram um sistema de distribuição de tempo óptico que usa o trem de pulso de ruído ultrabaixo de um laser de modo bloqueado como seu sinal de tempo. Usando links de fibra óptica estabilizados, o sinal de temporização é transferido por uma longa distância de um local central para várias estações finais, onde a sincronização eficiente e robusta é realizada com fontes óticas e de microondas remotas.
Esquema da sincronização de toda a instalação. Crédito:DESY / Ming Xin
Ao desenvolver novos detectores de temporização ultrarrápidos e suprimir cuidadosamente as não linearidades das fibras, juntamente com as contribuições de ruído fundamentais, os cientistas foram capazes de alcançar uma precisão de tempo de 950 attossegundos em uma rede de micro-ondas a laser de 4,7 km por 18 horas. "Para nosso conhecimento, é a primeira vez que uma sincronização melhor do que um único femtossegundo foi alcançada entre lasers de modo bloqueado distante e osciladores de microondas em uma escala de toda a instalação por um longo período de tempo, "diz Şafak.
"A rede de micro-ondas a laser de precisão de attossegundo permitirá que os XFELs de próxima geração e outras instalações científicas operem com uma precisão de tempo sem precedentes, ajudando-os a desenvolver todo o seu potencial, "sublinha Kärtner." Isto irá conduzir a novos esforços científicos para a produção de filmes atómicos e moleculares na escala de tempo de attossegundos, abrindo assim muitas novas áreas de pesquisa em biologia, Desenvolvimento de drogas, química, física fundamental e ciência dos materiais. Além do mais, esta técnica também deve acelerar o desenvolvimento em muitos outros campos de pesquisa de fronteira que requerem alta resolução temporal, como a comparação de relógios ópticos ultraestáveis, astronomia de ondas gravitacionais e arranjos de antenas ópticas coerentes. "
