Stellen Sie sich eine Aktion vor, die innerhalb einer Femtosekunde oder einer Billiardstel Sekunde stattfindet: atomare Übergänge, Ladungsübertragungen und -dynamik, biochemische Prozesse. Stellen Sie sich nun vor, Sie könnten diese Aktion aufzeichnen, damit sie detaillierter untersucht werden kann.
Ingenieure der Purdue University entwickeln ein zum Patent angemeldetes Tool, mit dem Wissenschaftler in Wissenschaft und Industrie diese ultraschnellen Aktionen besser als mit herkömmlicher Technologie aufzeichnen können.
Herkömmliche Streak-Kameras und ihre Nachteile
Herkömmliche Streak-Kameras auf elektronischer Basis sind für die Aufzeichnung von Phänomenen, die nur Pikosekunden oder eine Billionstelsekunde dauern, unerlässlich. Wissenschaftler haben diese Kameras entwickelt, indem sie Licht in Elektronen umgewandelt und sie dann über einen Detektor „gestreift“ haben, um ein Bild zu erzeugen, sagte Colton Fruhling, Postdoktorand an der Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering der Purdue University.
„Stellen Sie sich die Elektronen wie Wasser vor, das aus einem Schlauch kommt, und den Detektor wie trockenes Pflaster“, sagte Fruhling. „Zieht eine Person den Schlauch schnell zur Seite, fließt das Wasser, bevor der Schlauch bewegt wurde, gerade weiter; das Wasser, das während der Bewegung austritt, wird zur Seite verdrängt. Auf diese Weise wird das Wasser, das aus dem Schlauch austritt, bei Landet zu unterschiedlichen Zeiten an unterschiedlichen Positionen auf dem Bürgersteig.
„Wenn jemand etwas wirklich Schnelles messen möchte – zum Beispiel eine Person, die ihre Hand durch das Wasser schneidet – können Wissenschaftler auf die Fahrbahn schauen, auf die das Wasser nicht traf, und ihre Länge messen, um herauszufinden, wie schnell sich die Hand bewegt hat.“
Herkömmliche Streak-Kameras auf elektronischer Basis, die die schnellsten elektronischen Schaltkreise von heute verwenden, haben jedoch Nachteile. Frühling sagte, das Größte sei ihre zeitlich begrenzte Lösung.
„Es gibt einige Prozesse, die in 100 Femtosekunden oder weniger ablaufen; eine Femtosekunde ist ein Billiardstel einer Sekunde“, sagte Fruhling. „Aber heutige kommerzielle Streak-Kameras auf elektronischer Basis können nur 600 bis 800 Femtosekunden auflösen. Es gibt eine ganze Welt der Physik, die eine Femtosekunde und sogar eine Attosekunde oder ein Billionstel einer Sekunde dauert, die unentdeckt ist.“
Verbesserung gegenüber herkömmlichen Streak-Kameras
Fruhling sagte, Purdues Streak-Kamera verwende rein optische Mechanismen, die das Potenzial hätten, den Prozess um das 10.000- bis 100.000-fache zu beschleunigen. Die Forschung wurde von Vladimir M. Shalaev, dem Bob und Anne Burnett Distinguished Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik, geleitet; Alexandra Boltasseva, Ron und Dotty Garvin Tonjes angesehene Professorin für Elektrotechnik und Informationstechnik; und Alexander V. Kildishev, Professor an der Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering.
Die zum Patent angemeldete Purdue-Innovation verwendet Materialien, die als Epsilon-Near-Zero-Materialien bezeichnet werden.
„Ein sekundärer Lichtimpuls verändert ihre optischen Eigenschaften. Das bedeutet, dass die Methode vollständig optisch ist und nicht durch elektronische Schaltkreise herkömmlicher Streak-Kameras eingeschränkt wird“, sagte Fruhling.
„Die Technologie könnte von Physikern und Ingenieuren genutzt werden, die ultraschnelle Prozesse wie Atomübergänge untersuchen möchten, von Chemikern, die den Ladungstransfer in Reaktionen untersuchen, und von Biologen, die die Proteinfaltung untersuchen möchten. Sie könnte auch für Unternehmen verwendet werden, die studieren möchten.“ die Ladungsdynamik in Computerchips der nächsten Generation.
Frühling sagte, das Forschungsteam habe jede Komponente des Geräts erstellt und einzeln getestet.
„Wir haben gezeigt, dass sich die optischen Eigenschaften innerhalb von etwa 100 Femtosekunden dramatisch ändern können“, sagte Fruhling. „Anhand der experimentellen Ergebnisse können wir die resultierende Schlierenleistung auf etwa fünf Attosekunden simulieren, was 100.000 Mal schneller ist. Bei diesen Tests handelte es sich um Simulationen, und abschließende Experimente werden derzeit entworfen.“