Compreender como as ondas de luz oscilam no tempo à medida que interagem com os materiais é essencial para compreender a transferência de energia impulsionada pela luz nos materiais, como células solares ou plantas. Devido às velocidades fantasticamente altas em que as ondas de luz oscilam, Contudo, os cientistas ainda precisam desenvolver um dispositivo compacto com resolução de tempo suficiente para capturá-los diretamente.

Agora, uma equipe liderada por pesquisadores do MIT demonstrou dispositivos em escala de chip que podem rastrear diretamente o campo elétrico fraco das ondas de luz conforme elas mudam com o tempo. O dispositivo deles, que incorpora um microchip que usa pulsos de laser curtos e antenas em nanoescala, é fácil de usar, não requer nenhum ambiente especial para operação, parâmetros mínimos de laser, e eletrônica de laboratório convencional.

O trabalho da equipe, publicado no início deste mês em Nature Photonics , pode permitir o desenvolvimento de novas ferramentas para medições ópticas com aplicações em áreas como biologia, Medicina, segurança alimentar, detecção de gás, e descoberta de drogas.

"As aplicações potenciais desta tecnologia são muitas, "diz o co-autor Phillip Donnie Keathley, líder do grupo e cientista pesquisador do Laboratório de Pesquisa Eletrônica (RLE). "Por exemplo, usando esses dispositivos ópticos de amostragem, os pesquisadores serão capazes de entender melhor as vias de absorção óptica em plantas e fotovoltaicas, ou para melhor identificar assinaturas moleculares em sistemas biológicos complexos. "

Os co-autores de Keathley são a autora principal Mina Bionta, um pós-doutorado sênior na RLE; Felix Ritzkowsky, um estudante de pós-graduação no Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) e na Universidade de Hamburgo que foi um estudante visitante do MIT; e Marco Turchetti, um estudante de graduação em RLE. A equipe foi liderada por Keathley trabalhando com os professores Karl Berggren no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT; Franz Kärtner do DESY e da Universidade de Hamburgo na Alemanha; e William Putnam, da Universidade da Califórnia em Davis. Outros co-autores são Yujia Yang, um ex-pós-doutorado do MIT agora na École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFPL), e Dario Cattozzo Mor, um ex-aluno visitante.

O ultra-rápido encontra o ultra-pequeno - o tempo pára na ponta de um alfinete

Os pesquisadores há muito buscam métodos para medir os sistemas à medida que eles mudam com o tempo. Rastreando ondas gigahertz, como aqueles usados ​​para seu telefone ou roteador Wi-Fi, requer uma resolução de tempo de menos de 1 nanossegundo (um bilionésimo de segundo). Rastrear as ondas de luz visível requer uma resolução de tempo ainda mais rápida - menos de 1 femtossegundo (um milionésimo de um bilionésimo de um segundo).

As equipes de pesquisa do MIT e DESY projetaram um microchip que usa pulsos de laser curtos para criar flashes eletrônicos extremamente rápidos nas pontas das antenas em nanoescala. As antenas em nanoescala são projetadas para aumentar o campo do pulso de laser curto a ponto de serem fortes o suficiente para arrancar elétrons da antena, criando um flash eletrônico que é rapidamente depositado em um eletrodo coletor. Esses flashes eletrônicos são extremamente breves, durando apenas algumas centenas de attossegundos (alguns cem bilionésimos de um bilionésimo de 1 segundo).

Usando esses flashes rápidos, os pesquisadores foram capazes de tirar fotos de ondas de luz muito mais fracas oscilando ao passar pelo chip.

"Este trabalho mostra, mais uma vez, como a fusão de nanofabricação e física ultrarrápida pode levar a percepções interessantes e novas ferramentas de medição ultrarrápidas, "diz o professor Peter Hommelhoff, cadeira de física do laser na Universidade de Erlangen-Nuremberg, que não estava ligado a este trabalho. "Tudo isso é baseado no profundo conhecimento da física subjacente. Com base nessa pesquisa, agora podemos medir formas de onda de campo ultrarrápidas de pulsos de laser muito fracos. "

A capacidade de medir diretamente as ondas de luz no tempo beneficiará a ciência e a indústria, dizem os pesquisadores. À medida que a luz interage com os materiais, suas ondas são alteradas no tempo, deixando assinaturas das moléculas dentro. Esta técnica de amostragem de campo óptico promete capturar essas assinaturas com maior fidelidade e sensibilidade do que os métodos anteriores, enquanto usa tecnologia compacta e integrável necessária para aplicações do mundo real.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.