使用全光学机制的技术有可能记录飞秒级的动作
发布时间：2023-09-01 09:57:01 阅读数： 143
博士后研究员科尔顿-弗鲁林（Colton Fruhling）（左）和普渡大学埃尔莫尔家族电气与计算机工程学院研究生研究助理穆斯塔法-戈克苏-奥兹鲁（Mustafa Goksu Ozlu）在分析条纹相机模拟测试生成的数据。这项正在申请专利的技术采用全光学机制，有可能记录持续一飞秒（即四十亿分之一秒）的动作。图片来源：普渡大学照片/Colton Fruhling
想象一下在飞秒或四十亿分之一秒内发生的动作：原子转换、电荷转移和动力学、生化过程。现在想象一下能够记录下这一动作，以便对其进行更详细的研究。
普渡大学的工程师们正在开发一种正在申请专利的工具，学术界和工业界的科学家们可以用它来比传统技术更好地记录这些超快动作。
传统条纹照相机及其缺点
传统的电子条纹照相机对于记录仅持续皮秒或万亿分之一秒的现象至关重要。普渡大学埃尔莫尔家族电气与计算机工程学院博士后研究员科尔顿-弗鲁林（Colton Fruhling）说，科学家们开发这种相机的方法是将光转换成电子，然后将电子 "条纹化"，穿过探测器形成图像。
"Fruhling说："把电子想象成从水管中流出的水，把探测器想象成干燥的路面。"如果一个人快速地把水管拉到一边，水管移动之前的水会继续直流；而在移动过程中流出的水则会被移到一边。这样，在不同时间从水管流出的水就会以不同的位置落在路面上。
"如果有人想测量一些非常快的东西--比如，一个人把手划过水面，科学家就可以观察水没有落到的路面，测量它的长度，从而计算出这只手的移动速度。"
不过，使用当今最快电子电路的传统电子条纹相机也有缺点。弗鲁林说，最大的缺点是时间分辨率有限。
"Fruhling说："有些过程发生在100飞秒或更短的时间内；一飞秒是十万亿分之一秒。"但如今的商用电子条纹照相机只能分辨 600 到 800 飞秒。飞秒甚至阿秒，即一秒的五百亿分之一，是一个未被发现的物理学世界。
改进传统的条纹相机
Fruhling说，普渡大学的条纹照相机采用全光学机制，有可能将整个过程加快1万到10万倍。这项研究由电子与计算机工程鲍勃与安妮-伯内特杰出教授弗拉基米尔-M-沙拉耶夫、电子与计算机工程罗恩与多蒂-加文-顿杰斯杰出教授亚历山德拉-博尔塔塞娃以及埃尔莫尔家族电子与计算机工程学院教授亚历山大-V-基尔迪舍夫领导。
这项正在申请专利的普渡创新使用的材料被称为ε-近零材料。
"二次光脉冲改变了它们的光学特性。这意味着这种方法完全是光学的，不受传统条纹相机中使用的电子电路的限制，"Fruhling 说。
"物理学家和工程师可以利用这项技术研究原子转变等超快过程，化学家可以研究反应中的电荷转移，生物学家可以研究蛋白质折叠。它还可用于希望研究下一代计算机芯片中电荷动态的公司。
弗鲁林说，研究团队已经制作了该装置的每个组件，并分别进行了测试。
"Fruhling 说："我们已经证明，在大约 100 飞秒的时间内，光学特性可以发生显著变化。"根据实验结果，我们可以模拟出所产生的条纹性能约为 5 阿秒，也就是快 10 万倍。这些测试都是模拟实验，目前正在设计最终实验。
