Até agora, equipamento experimental complexo foi necessário para medir a forma de um pulso de luz. Uma equipe da TU Wien (Viena), MPI Garching e LMU Munich tornaram isso muito mais fácil.

Hoje, lasers modernos podem gerar pulsos de luz extremamente curtos, que pode ser usado para uma ampla gama de aplicações, desde a investigação de materiais até diagnósticos médicos. Para este propósito, é importante medir a forma da onda de luz do laser com alta precisão. Até agora, isso exigiu um grande, configuração experimental complexa. Agora, isso pode ser feito com um minúsculo cristal com um diâmetro de menos de um milímetro. O novo método foi desenvolvido pelo MPI for Quantum Optics em Garching, o LMU Munich e o TU Wien (Viena). O avanço agora ajudará a esclarecer detalhes importantes sobre a interação da luz e da matéria.

Olhando para a luz com elétrons

Pulsos de luz extremamente curtos com uma duração da ordem de femtossegundos (10-15 segundos) foram investigados. "Para criar uma imagem dessas ondas de luz, eles devem ser feitos para interagir com os elétrons, "diz o Prof Joachim Burgdörfer do Instituto de Física Teórica da TU Wien." A reação dos elétrons ao campo elétrico do laser nos dá informações muito precisas sobre a forma do pulso de luz. "

Anteriormente, a maneira comum de medir um pulso de laser infravermelho era adicionar um pulso de laser muito mais curto com um comprimento de onda na faixa do raio-X. Ambos os pulsos são enviados por meio de um gás. O pulso de raios-X ioniza átomos individuais, elétrons são liberados, que são então acelerados pelo campo elétrico do pulso de laser infravermelho. O movimento dos elétrons é registrado, e se o experimento for realizado muitas vezes com diferentes deslocamentos de tempo entre os dois pulsos, a forma do pulso de laser infravermelho pode eventualmente ser reconstruída. “O esforço experimental necessário para este método é muito alto, "diz o Prof. Christoph Lemell (TU Vienna)." É necessária uma configuração experimental complicada, com sistemas de vácuo, muitos elementos ópticos e detectores. "

Medição em pequenos cristais de óxido de silício

Para contornar tais complicações, a ideia nasceu para medir pulsos de luz não em um gás, mas em um sólido:"Em um gás você tem que ionizar os átomos primeiro para obter elétrons livres. Em um sólido é suficiente dar aos elétrons energia suficiente para que eles possam se mover o sólido, conduzido pelo campo de laser, "diz Isabella Floss (TU Viena). Isso gera uma corrente elétrica que pode ser medida diretamente.

Minúsculos cristais de óxido de silício com um diâmetro de algumas centenas de micrômetros são usados ​​para essa finalidade. Eles são atingidos por dois pulsos de laser diferentes:O pulso que deve ser investigado pode ter qualquer comprimento de onda, variando de luz ultravioleta e cores visíveis a infravermelho de ondas longas. Enquanto este pulso de laser penetra no cristal, outro pulso infravermelho é disparado no alvo. "Este segundo pulso é tão forte que efeitos não lineares no material podem alterar o estado de energia dos elétrons para que eles se tornem móveis. Isso acontece em um ponto muito específico no tempo, que pode ser ajustado e controlado com muita precisão, "explica Joachim Burgdörfer.

Assim que os elétrons podem se mover através do cristal, eles são acelerados pelo campo elétrico do primeiro feixe. Isso produz uma corrente elétrica que é medida diretamente no cristal. Este sinal contém informações precisas sobre a forma do pulso de luz.

Muitos aplicativos possíveis

Na TU Wien, o efeito foi estudado teoricamente e analisado em simulações de computador. O experimento foi realizado no Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching. "Graças à estreita cooperação entre teoria e experimento, pudemos mostrar que o novo método funciona muito bem, em uma grande faixa de frequência, do ultravioleta ao infravermelho, "diz Christoph Lemell." A forma de onda dos pulsos de luz agora pode ser medida com muito mais facilidade do que antes, com a ajuda de uma configuração muito mais simples e compacta. "

O novo método abre muitas aplicações interessantes:deve ser possível caracterizar com precisão novos materiais, para responder a questões físicas fundamentais sobre a interação da luz e da matéria, e até mesmo para analisar moléculas complexas - por exemplo, para detectar doenças de forma confiável e rápida, examinando minúsculas amostras de sangue.