Pacotes estáveis ​​de ondas de luz – chamados sólitons ópticos – são emitidos em lasers de pulso ultracurto como uma cadeia de flashes de luz. Esses sólitons geralmente se combinam em pares com separação temporal muito curta. Introduzindo vibrações atômicas na faixa de terahertz, pesquisadores das Universidades de Bayreuth e Wrocław resolveram agora o quebra-cabeça de como essas ligações temporais são formadas. Eles relatam sua descoberta em Nature Communications . A dinâmica dos pacotes de luz acoplados pode ser usada para medir vibrações atômicas como "impressões digitais" características de materiais de maneira extremamente rápida.
Nos lasers de pulso ultracurto, os sólitons ópticos podem formar ligações espaciais e temporais particularmente estreitas. Estas também são chamadas de "moléculas de soliton" ultracurtas porque são acopladas de forma estável umas às outras, semelhantes aos átomos quimicamente ligados de uma molécula. O grupo de pesquisa em Bayreuth usou um laser de estado sólido amplamente utilizado feito de um cristal de safira dopado com átomos de titânio para descobrir como esse acoplamento ocorre. Primeiro, um único flash de luz estimula os átomos na rede de cristal da safira a vibrar instantaneamente. Esse movimento característico oscila na faixa de terahertz e decai novamente dentro de alguns picossegundos (um picosegundo corresponde a um trilionésimo de segundo). Neste intervalo de tempo extremamente curto, o índice de refração do cristal muda. Quando um segundo flash de luz segue imediatamente e alcança o primeiro, ele sente essa mudança:não é apenas levemente afetado pelas vibrações atômicas, mas também pode ser ligado de forma estável ao sóliton anterior. Uma "molécula de soliton" nasce.

"O mecanismo que descobrimos é baseado nos efeitos físicos do espalhamento Raman e do autofoco. Ele explica uma variedade de fenômenos que intrigam a ciência desde a invenção dos lasers de titânio-safira há mais de 30 anos. O que é particularmente empolgante na descoberta é que que agora podemos explorar a dinâmica dos sólitons durante sua geração na cavidade do laser para escanear ligações atômicas em materiais com extrema rapidez. Toda a medição do chamado espectro Raman intracavitário agora leva menos de um milésimo de segundo. Essas descobertas podem ajudar para desenvolver microscópios quimicamente sensíveis particularmente rápidos que possam ser usados ​​para identificar materiais. Além disso, o mecanismo de acoplamento abre novas estratégias para controlar pulsos de luz por movimentos atômicos e, inversamente, para gerar estados de materiais exclusivos por pulsos de luz", explica o professor júnior Dr. Georg Herink, chefe do estudo e professor júnior de dinâmica ultrarrápida da Universidade de Bayreuth.

Em paralelo com a análise de dados experimentais, os pesquisadores conseguiram desenvolver um modelo teórico para a dinâmica do sóliton. O modelo permite explicar as observações obtidas em experimentos e prever novos efeitos das vibrações atômicas na dinâmica dos sólitons. As interações de sólitons em sistemas ópticos e suas aplicações para espectroscopia de alta velocidade estão atualmente sendo investigadas no projeto de pesquisa DFG FINTEC na Universidade de Bayreuth. + Explorar mais

Separados apenas por quadrilionésimos de segundo:flashes de luz ultracurtos combinados com precisão e rapidez