Wissenschaftler der University of Ottawa und des Max-Planck-Instituts für die Wissenschaft des Lichts schlagen einen bahnbrechenden Ansatz vor, der Entdeckungen in der Materialwissenschaft durch die Kombination von Terahertz (THz)-Spektroskopie und Echtzeitüberwachung erleichtern wird.
Terahertz-Wellen sind elektromagnetische Wellen, die verborgene Geheimnisse der Materie enthüllen können. Sie können schnelle Veränderungen in Materialien erfassen, die für andere Strahlungsarten unsichtbar sind. Wissenschaftler können jetzt Terahertz-Wellen nutzen, um Echtzeitfilme heißer Elektronen in Silizium mit 50.000 Bildern pro Sekunde aufzunehmen – schneller als je zuvor.
Unter der Leitung von Jean-Michel Ménard, außerordentlicher Professor für Physik an der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Ottawa, verwendete ein Wissenschaftlerteam zwei Techniken: Chirped-Pulse-Kodierung und photonische Zeitdehnung.
Die Studie „Einzelpuls-Terahertz-Spektroskopie zur Überwachung der Zeitdynamik im Submillisekundenbereich bei einer Rate von 50 kHz“ wurde in veröffentlicht Naturkommunikation.
Die erste Technik prägt die von einem THz-Puls getragenen Informationen in ein gechirptes Superkontinuum im optischen Bereich ein, das einem wandernden Regenbogen ähnelt. Der zweite streckt den Regenbogenimpuls zeitlich in einer langen Faser und verlangsamt so die Informationsrate, sodass sie von fortschrittlichen elektronischen Geräten in Echtzeit aufgezeichnet werden kann. Diese Schritte werden mit einer Impulsfolge in 20-Mikrosekunden-Intervallen wiederholt, die kombiniert werden können, um einen Film über die Niederenergiedynamik im Inneren eines Materials zu erstellen.
„In dieser Studie stellen wir ein neuartiges Photoniksystem vor, das in Echtzeit die Niederenergiedynamik komplexer physikalischer Phänomene mit einer Zeitauflösung nahe der Mikrosekunde messen kann. Unser Aufbau ist einzigartig: Es ist ein kompaktes System, das eine Technologie ersetzt, die bisher eingesetzt wurde.“ nur in großen Synchrotronanlagen zugänglich und kann schnell zeitaufgelöste THz-Spektroskopie durchführen, eine leistungsstarke Technik zur Analyse verschiedener Materialien“, sagt Ménard.
Was kommt als nächstes?
Experimente, die auf diesem System basieren, werden Schwingungsresonanzen von Molekülen verfolgen, um die rätselhafte Rolle von Enzymen bei chemischen Reaktionen zu untersuchen und unsichtbare Veränderungen in lebenden Organismen zu beobachten, wenn sie einem plötzlichen Temperaturanstieg ausgesetzt sind.
„In Experimenten mit kondensierter Materie wird unser schnelles photonisches THz-System verwendet, um eine Reihe nicht umkehrbarer elektronischer oder Gitterrekonfigurationen zu beobachten, die insbesondere bei Phasenübergängen auftreten“, sagt Ménard. „Wir gehen davon aus, dass dies eine entscheidende Rolle bei der Entdeckung einer neuen Reihe schneller und nicht reproduzierbarer Prozesse spielen wird, was die THz-Spektroskopie zu einem noch effizienteren Charakterisierungswerkzeug macht, um wirkungsvolle Entdeckungen in der Materialphysik zu machen.“
Mit dem photonischen System können die Forscher erstmals das Verhalten irreversibler physikalischer, chemischer und biologischer Phänomene untersuchen, darunter den elektronischen Transport in Halbleitern, chemische exotherme Reaktionen und die Proteinfaltung in biologischen Systemen. Es enthüllt den verborgenen Tanz schneller und unvorhersehbarer Dynamiken, der unser Verständnis der Welt für immer verändert.
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Nicolas Couture et al., Einzelpuls-Terahertz-Spektroskopie zur Überwachung der Zeitdynamik im Submillisekundenbereich mit einer Frequenz von 50 kHz, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38354-3