توضیح تصویر: لیزر الکترو اپتیکی فوق سریع NIST بر این «قوطی» آلومینیومی متکی است تا به تثبیت و فیلتر کردن سیگنال های الکترونیکی بپردازد که در داخل به عقب و جلو می جهند تا زمانی که امواج ثابت در قوی ترین فرکانس ظاهر شوند و دیگر فرکانس ها را بلوک یا فیلتر کنند.
اعتبار: D. Carlson / NIST
اعتبار: D. Carlson / NIST
گزارش کامل
فیزیکدانان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) از الکترونیک رایج برای ساخت یک لیزر استفاده می کنند که تپش پالسی 100 برابر بیشتر از لیزرهای معمولی فوق سریع دارد. پیشرفت می تواند مزایای دانش فوق سریع را به برنامه های جدیدی مانند تصویربرداری بلادرنگ از مواد بیولوژیکی گسترش دهد.
تکنولوژی برای ساخت لیزرهای الکترواپتیکی حدود پنج دهه است که وجود داشته است و این ایده به نظر می رسد به طور فریبنده ای جذاب بوده باشد. اما تا به حال محققان قادر نبوده اند که سویچ نور را روشن کنند تا پالس های فوق سریع بسازند و نویز یا تداخل الکترونیکی را حذف کنند.
همانطور که در شماره 28 سپتامبر مجله Science توضیح داده شده است، دانشمندان NIST یک روش فیلترینگ برای کاهش تداخل القای گرمائی ایجاد کرده اند که در غیر این صورت سبب خراب کردن استحکام نوری که به صورت الکترونیکی ترکیب شده است می شد.
اسکات پاپ، رهبر پروژه، با اشاره به "حفره" که در آن سیگنال های الکترونیکی تثبیت شده و فیلتر شده اند، گفت: "ما نور را با یک قوطی آلومینیومی رام کردیم." همانطور که سیگنالها در داخل چیزی مانند یک قوطی نوشابه عقب و جلو می جهند، امواج ثابت در قویترین فرکانس بیرون می آیند و فرکانسهای دیگر را مسدود یا فیلتر می‌کنند.
فوق سریع به رویدادهایی که در حد چند پیکو ثانیه (تریلیونم ثانیه) تا چند فمتو ثانیه (کوادریلینم ثانیه) طول می‌کشند اشاره می کند. این سریعتر از رژیم نانومقیاس است، که چند سال پیش با نانوتکنولوژی به فرهنگ لغت معرفی شده است (نانو ثانیه یک بیلیونم ثانیه است).
منبع مرسوم نور فوق سریع یک شانه فرکانس اپتیکی است که یک "خط کش" دقیق برای نور است. شانه ها معمولا با لیزرهای "حالت قفل شده" پیشرفته ساخته می شوند که پالس هایی از رنگ های مختلف امواج نور که همپوشانی دارند تشکیل می دهند و موجب ایجاد ارتباط بین فرکانس های نوری و مایکروویو می شوند. همکاری سیگنال های نوری و مایکروویو موجب پیشرفت های جدید در ارتباطات، زمانبندی و سیستم های سنجش کوانتومی می شود.
در مقابل، لیزر الکترواپتیکی جدید NIST، ارتعاشات الکترونیکی مایکروویو را بر روی یک لیزر موج پیوسته که در فرکانس های نوری عمل می کند، تحمیل می کند و به طور مؤثر، پالس ها را به نور تبدیل می کند.
دیوید کارلسون، نویسنده ارشد مقاله، گفت: "در هر لیزر فوق سریع، هر پالس برای حدود مثلاً 20 فمتو ثانیه طول می کشد." "در لیزرهای حالت قفل شده، پالس ها در هر 10 نانو ثانیه بیرون می آیند. در لیزر الکترو اپتیکیِ ما پالس ها در هر 100 پیکو ثانیه بیرون می آیند، بنابراین افزایش سرعتی در این جا داریم - پالس های فوق سریعی که 100 بار سریعتر یا بیشتر وارد می شوند."
پاپ گفت: "تصویربرداری شیمیایی و بیولوژیکی نمونه خوبی از کاربردهای این نوع لیزر است." "کاوش نمونه های بیولوژیکی با پالس های فوق سریع، هم اطلاعات تصویری و هم اطلاعات آرایش شیمیایی را فراهم می کند. با استفاده از تکنولوژیِ ما این نوع تصویربرداری می تواند به طور چشمگیری سریعتر رخ دهد. بنابراین تصویربرداری ماوراء طیفی که در حال حاضر یک دقیقه طول می کشد می تواند به صورت بلادرنگ اتفاق افتد."
برای ساخت لیزر الکترو اپتیکی، محققین NIST با یک لیزر موج پیوسته مادون قرمز شروع می کنند و پالس ها را با یک نوسان ساز تثبیت شده توسط حفره ایجاد می کنند که معادل یک حافظه را برای اطمینان از اینکه همه پالس ها یکسان هستند فراهم می کند. لیزر پالس های نوری را با نرخ مایکروویو تولید می کند و هر پالس هدایت می شود به میان یک ساختار موجبر میکرو تراشه تا رنگ های خیلی بیشتری را در شانه فرکانس تولید کند.
همانطور که سیگنالها در داخل چیزی مانند یک قوطی نوشابه عقب و جلو می جهند، امواج ثابت در قویترین فرکانس بیرون می آیند و فرکانسهای دیگر را مسدود یا فیلتر می‌کنند.پاپ گفت: لیزر الکترو اپتیکی سرعت بی سابقه ای در ترکیب با دقت و پایداری ارائه می دهد که با لیزر قفل شده‌ی حالت قابل مقایسه است. لیزر با استفاده از اجزای مخابراتی تجاری و مایکروویو ساخته شد و سیستم ساخته شده بسیار قابل اعتماد بود. ترکیبی از قابلیت اطمینان و دقت، شانه های الکترو اپتیکی را برای اندازه گیری های طولانی مدت شبکه های ساعت اپتیکی یا ارتباطات یا سیستم های حسگر، که در آن داده ها باید سریعتر از آنچه که در حال حاضر امکان پذیر است به دست آورده شوند، جذاب می سازد.
تکنولوژی برای ساخت لیزرهای الکترواپتیکی حدود پنج دهه است که وجود داشته است و این ایده به نظر می رسد به طور فریبنده ای جذاب بوده باشد. اما تا به حال محققان قادر نبوده اند که سویچ نور را روشن کنند تا پالس های فوق سریع بسازند و نویز یا تداخل الکترونیکی را حذف کنند.
همانطور که در شماره 28 سپتامبر مجله Science توضیح داده شده است، دانشمندان NIST یک روش فیلترینگ برای کاهش تداخل القای گرمائی ایجاد کرده اند که در غیر این صورت سبب خراب کردن استحکام نوری که به صورت الکترونیکی ترکیب شده است می شد.
اسکات پاپ، رهبر پروژه، با اشاره به "حفره" که در آن سیگنال های الکترونیکی تثبیت شده و فیلتر شده اند، گفت: "ما نور را با یک قوطی آلومینیومی رام کردیم." همانطور که سیگنالها در داخل چیزی مانند یک قوطی نوشابه عقب و جلو می جهند، امواج ثابت در قویترین فرکانس بیرون می آیند و فرکانسهای دیگر را مسدود یا فیلتر می‌کنند.
فوق سریع به رویدادهایی که در حد چند پیکو ثانیه (تریلیونم ثانیه) تا چند فمتو ثانیه (کوادریلینم ثانیه) طول می‌کشند اشاره می کند. این سریعتر از رژیم نانومقیاس است، که چند سال پیش با نانوتکنولوژی به فرهنگ لغت معرفی شده است (نانو ثانیه یک بیلیونم ثانیه است).
منبع مرسوم نور فوق سریع یک شانه فرکانس اپتیکی است که یک "خط کش" دقیق برای نور است. شانه ها معمولا با لیزرهای "حالت قفل شده" پیشرفته ساخته می شوند که پالس هایی از رنگ های مختلف امواج نور که همپوشانی دارند تشکیل می دهند و موجب ایجاد ارتباط بین فرکانس های نوری و مایکروویو می شوند. همکاری سیگنال های نوری و مایکروویو موجب پیشرفت های جدید در ارتباطات، زمانبندی و سیستم های سنجش کوانتومی می شود.
در مقابل، لیزر الکترواپتیکی جدید NIST، ارتعاشات الکترونیکی مایکروویو را بر روی یک لیزر موج پیوسته که در فرکانس های نوری عمل می کند، تحمیل می کند و به طور مؤثر، پالس ها را به نور تبدیل می کند.
دیوید کارلسون، نویسنده ارشد مقاله، گفت: "در هر لیزر فوق سریع، هر پالس برای حدود مثلاً 20 فمتو ثانیه طول می کشد." "در لیزرهای حالت قفل شده، پالس ها در هر 10 نانو ثانیه بیرون می آیند. در لیزر الکترو اپتیکیِ ما پالس ها در هر 100 پیکو ثانیه بیرون می آیند، بنابراین افزایش سرعتی در این جا داریم - پالس های فوق سریعی که 100 بار سریعتر یا بیشتر وارد می شوند."
پاپ گفت: "تصویربرداری شیمیایی و بیولوژیکی نمونه خوبی از کاربردهای این نوع لیزر است." "کاوش نمونه های بیولوژیکی با پالس های فوق سریع، هم اطلاعات تصویری و هم اطلاعات آرایش شیمیایی را فراهم می کند. با استفاده از تکنولوژیِ ما این نوع تصویربرداری می تواند به طور چشمگیری سریعتر رخ دهد. بنابراین تصویربرداری ماوراء طیفی که در حال حاضر یک دقیقه طول می کشد می تواند به صورت بلادرنگ اتفاق افتد."
برای ساخت لیزر الکترو اپتیکی، محققین NIST با یک لیزر موج پیوسته مادون قرمز شروع می کنند و پالس ها را با یک نوسان ساز تثبیت شده توسط حفره ایجاد می کنند که معادل یک حافظه را برای اطمینان از اینکه همه پالس ها یکسان هستند فراهم می کند. لیزر پالس های نوری را با نرخ مایکروویو تولید می کند و هر پالس هدایت می شود به میان یک ساختار موجبر میکرو تراشه تا رنگ های خیلی بیشتری را در شانه فرکانس تولید کند.
همانطور که سیگنالها در داخل چیزی مانند یک قوطی نوشابه عقب و جلو می جهند، امواج ثابت در قویترین فرکانس بیرون می آیند و فرکانسهای دیگر را مسدود یا فیلتر می‌کنند.پاپ گفت: لیزر الکترو اپتیکی سرعت بی سابقه ای در ترکیب با دقت و پایداری ارائه می دهد که با لیزر قفل شده‌ی حالت قابل مقایسه است. لیزر با استفاده از اجزای مخابراتی تجاری و مایکروویو ساخته شد و سیستم ساخته شده بسیار قابل اعتماد بود. ترکیبی از قابلیت اطمینان و دقت، شانه های الکترو اپتیکی را برای اندازه گیری های طولانی مدت شبکه های ساعت اپتیکی یا ارتباطات یا سیستم های حسگر، که در آن داده ها باید سریعتر از آنچه که در حال حاضر امکان پذیر است به دست آورده شوند، جذاب می سازد.
سریعترین عکس‌های فوری جهانی از پراکندگی الکترونی حرکت‌های اتمی در گازها
دانشمندان پیشرفت قابل توجهی در زمینه ساخت فیلم های فرآیند اتمی بسیار سریع با کاربردهای بالقوه در تولید انرژی، شیمی، پزشکی، علوم مواد و غیره حاصل کرده اند. محققان با استفاده از یک دوربین الکترونی با وضوح بالا و با رزولوشن بالا، که یک ابزار جدید برای پراش الکترونی فوق سریع (UED) است، سریع ترین تصاویر UED از مولکول های نیتروژن در حال چرخش در یک گاز را با یک رکورد سرعت شاتر 100 کوادریلیونم ثانیه گرفته اند. این نشان از پتانسیل تکنولوژی برای ساخت فیلم های مولکولی واکنش شیمیایی به صورت بلادرنگ دارد.
توضیح تصویر: در آزمایش خود، دانشمندان ابتدا مولکول ها را که در آنها دو اتم نیتروژن از طریق پیوند شیمیایی قوی به هم وصلند با نور لیزر (قرمز) همخط کردند. سپس آنها چرخش بعدی مولکول ها را با گرفتن عکس های فوق سریع با پرتو الکترونی (آبی) بررسی کردند.
اعتبار: آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC
دانشمندان به زودی رویای حس کوچکترین و سریع ترین پدیده های طبیعت را به صورت بلادرنگ تعبیر می کنند. به عنوان مثال، تماشای زیست مولکول ها، انجام واکنش های شیمیایی پایدار در طول زندگی را با سرعت بالا تسهیل می کند و در جزئیات اتمی می تواند به دانشمندان راه های جدیدی برای تولید کاتالیزورهای شیمیایی کارآمد را آموزش دهد. با این حال، بیشترین تکنیک های موجود یا در سرعت و یا در جزئیات تفوق دارند، نه در هر دو.
منبع: سایت ساینس دِیلی
