Учёные совершили прорыв в изучении сверхбыстрого микромира, разработав революционный метод визуализации. Новая технология, названная компрессионным спектрально-временным методом когерентной модуляционной фемтосекундной визуализации (CST-CMFI), позволяет наблюдать процессы, длящиеся сотни фемтосекунд (квадриллионные доли секунды). Главное её преимущество — способность в одном измерении зафиксировать не только изменение яркости объекта, но и его внутреннюю структуру (фазовую информацию), что раньше было практически невозможно.
Это открывает беспрецедентные возможности для фундаментальных исследований в физике, химии, биологии и материаловедении. Понимание таких скоротечных явлений, как химические реакции, перестройка атомов в материалах или поведение биомолекул, критически важно для создания новых материалов, эффективной электроники, улучшенных солнечных батарей и более мощных лазеров для чистой энергетики и точного производства.
Метод был создан в Лаборатории экстремальной оптической визуализации Восточно-китайского педагогического университета. Он объединяет несколько передовых технологий: временно-спектральное картирование, компрессионную спектральную визуализацию и когерентную модуляционную визуализацию. Система использует специальный "растянутый" лазерный импульс, где разным моментам времени соответствуют разные длины волн света. Такой импульс создаётся с помощью дисперсионных оптических элементов, таких как дифракционные решётки или призмы, в рамках техники усиления чирпированных импульсов, что позволяет безопасно усиливать световой сигнал, предотвращая повреждение оптических компонентов.
Для демонстрации возможностей CST-CMFI исследователи изучили два ультрабыстрых процесса: образование плазмы в воде после фемтосекундного лазерного импульса и динамику возбуждённых носителей заряда в полупроводнике ZnSe. В эксперименте с водой метод позволил увидеть не только яркость плазменного канала, но и фазовые изменения, связанные с формированием плотной плазмы свободных электронов, которая влияет на поглощение и распространение света.
Ключевым открытием стала исключительная чувствительность фазовых измерений. "Используя CST-CMFI, мы смогли увидеть фазовые вариации, связанные с динамикой носителей заряда, даже когда не было значительных изменений в интенсивности", — отметил руководитель исследования Юньхуа Яо. Это означает, что метод может обнаруживать тончайшие процессы, невидимые при традиционном анализе только яркости.
В будущем команда планирует применить свой метод для изучения динамики на границах раздела материалов и сверхбыстрых фазовых переходов. Границы раздела — это области контакта между различными материалами или фазами, где свойства резко меняются, и их динамика определяет ключевые процессы в технологиях, такие как катализ, коррозия, адгезия и работа электронных устройств, что критически важно для разработки более эффективных и прочных материалов. Учёные также работают над интеграцией CST-CMFI с другими технологиями компрессионной съёмки, чтобы ещё больше расширить её возможности. Эта разработка знаменует собой новый этап в наблюдении за самыми быстрыми явлениями в природе.
Источник: This new camera captures what happens in a trillionth of a second