Para capturar ações em movimento rápido em um ambiente mal iluminado, um fotógrafo usará a combinação de uma velocidade rápida do obturador e uma explosão rápida de luz.

Os físicos do laser empregam o mesmo princípio - capturar um evento microscópico de curta duração atingindo-o com um pulso rápido de luz infravermelha. Claro, enquanto a ação que um fotógrafo está tentando capturar pode durar um centésimo de segundo ou dois, a janela de oportunidade do físico pode durar alguns femtossegundos (quatrilionésimos de segundo).

Mas, para fazer um pulso de luz curto o suficiente para capturar o que um físico pode querer ver - digamos, o efeito da vibração induzida pela luz em uma molécula na retina - você precisa de uma fonte de luz que produza uma ampla faixa de frequências. E um grupo liderado por Jeffrey Moses, professor assistente de física aplicada e engenharia, desenvolveu um processo para gerar e moldar pulsos de luz no infravermelho médio intenso (infravermelho médio).

"Temos a capacidade de criar essa fonte de banda larga de luz infravermelha que é intensa, e temos a capacidade de moldá-lo com precisão, "disse Moisés, cujo grupo publicou um artigo em Nature Photonics , "Geração e modelagem multi-oitava de pulsos de ciclo único intensos no infravermelho médio, " 20 de março.

Peter Krogen, Ph.D. '16, agora um pesquisador associado do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, é o autor principal. Outros contribuintes incluíram o estudante de doutorado Noah Flemens, um membro do Grupo Moses.

Os comprimentos de onda do infravermelho médio são de particular importância para os cientistas de materiais, químicos, biólogos e físicos da matéria condensada. Recentemente, o advento de fontes de infravermelho médio de alta energia de pulso e duração ultracurta deu início a uma nova gama de interações luz-matéria não lineares, e estabelecer fontes de infravermelho médio que apresentam não apenas uma largura de banda extrema, mas também um controle arbitrário da forma do pulso, é de grande interesse.

Um método para analisar fenômenos de curta duração é a espectroscopia de bomba-sonda. O primeiro feixe de luz laser atua como a "bomba, "para gerar uma reação desejada em um material, e a segunda é a "sonda, "usado para analisar a reação.

Para criar pulsos de luz curtos o suficiente para capturar esses eventos, a luz deve conter uma ampla gama de frequências dentro do espectro de IV. "Quanto mais frequências eu tiver, quanto mais curto for o pulso que posso fazer, "Disse Moisés.

O problema, Contudo, é moldar a luz para um propósito específico, você perde largura de banda. Para superar esse problema, Moses e seu grupo desenvolveram uma maneira de criar e moldar uma banda larga, Pulso de luz próximo ao infravermelho e muda sua "cor" (frequência de onda) para infravermelho médio, mantendo sua largura de banda e forma. Na verdade, a largura de banda relativa da onda de infravermelho próximo - uma medida de quão curto um pulso pode ser feito em comparação com a menor duração alcançável naquela cor - é efetivamente aumentada quando convertida para uma onda de infravermelho médio.

O resultado:pulsos durando apenas um único ciclo do período da onda, que está muito próximo do mínimo permitido pela natureza.

“Quando passamos por este processo, temos largura de banda no infravermelho próximo que é inferior a uma oitava, "Moisés disse, "e acabamos com largura de banda no infravermelho médio que é mais do que uma oitava." Em comprimentos de onda, uma oitava é a diferença entre uma frequência e o dobro dessa frequência.

Uma aplicação particular de interesse para o grupo é rastrear a forma como a energia do elétron flui em um sistema, como a visão humana. As moléculas de rodopsina na retina absorvem luz e depois mudam de forma - de curvada para reta - e é esse endireitamento que serve para enviar um sinal através do nervo óptico para o cérebro.

“A mudança na configuração eletrônica dessas moléculas acontece ao longo de dezenas de femtossegundos, "Disse Moses." Achamos que temos a fonte certa de luz aqui para obter muito mais informações sobre o que está acontecendo durante esse período de tempo ultracurto. "

E o que essa informação pode dizer a um cientista? Por uma coisa, esse processo é muito eficiente em humanos, mas existem outros processos biológicos semelhantes - que os teóricos acreditam serem regulados por um tipo semelhante de estrutura - que são altamente ineficientes.

"Usando esta ferramenta, estamos tentando desenvolver um método para estudar este tipo de classe de estruturas que é responsável pela forma como as moléculas respondem à luz, "Disse Moisés." Isso poderia nos ajudar a entender algo que estamos fabricando e nos ajudar a fazer tudo o que faz com mais eficiência. "