Nobelvindende fysik er nøglen til ultrahurtig laserforskning

Teknikken til at generere højintensitet, ultrakorte optiske pulser udviklet af Nobelprisen i fysik i 2018, Professor Gérard Mourou og Dr. Donna Strickland, danner grundlag for vigtige videnskabelige tilgange, der anvendes i Swinburnes forskning.

ARC Center of Excellence for Future Low Energy Electronics Technologies (FLEET) Chief Investigator hos Swinburne, Lektor Jeff Davis, bruger laserpulser blot et par kvadrilliondeler af et sekund i varighed til at undersøge nye, komplekse materialer, der kunne bruges i fremtidens lavenergi-elektronik.

Studieretningen er ultrahurtig 'femtosekund' -spektroskopi - et femtosekund er en milliontedel af en milliarddel af et sekund.

"Disse ekstremt korte varighedspulser er nødvendige for at måle udviklingen af ​​subatomære partikler, såsom elektroner, "forklarer lektor Davis.

"Når du vil måle, hvor hurtigt noget bevæger sig, du har brug for en startpistol til at sætte ting i gang og noget til at stoppe uret.

"I et 100 meter løb, dette er ligetil, fordi tiden det tager at løbe 100 meter er langsomt i forhold til, hvor hurtigt du kan trykke på knapperne på et stopur.

"Men når du vil måle den præcise udvikling af elektroner, som kan ændre deres egenskaber eller deres tilstand i femtosekunder, du skal være i stand til at starte og stoppe uret meget, meget hurtigere. Vi bruger femtosekund laserpulser til at opnå dette. "

Swinburne har den højeste koncentration af ultrahurtige lasersystemer på den sydlige halvkugle, mange stoler på teknikken udviklet af Dr. Strickland og professor Mourou. Faktisk, Swinburne var det første laboratorium i Australien til at installere et af disse forstærkede lasersystemer, i 1998, at give en grundlæggende forståelse af nye materialer.

Amp-forstærkning

Udviklingen af ​​chirped-puls amplification (CPA) af professor Mourou og Dr. Strickland har muliggjort videnskabelige opdagelser på en række områder.

CPA tillader, at der produceres højenergipulser hvert mikrosekund-en million pulser pr. Sekund-hvilket betyder, at spektroskopimålinger kan udføres på en rimelig tid, gør det muligt at erhverve tilstrækkelige data til at minimere støjniveauet på svage signaler.

Dette gør det også muligt at variere forskellige kontrolparametre for at opbygge et samlet billede af de vigtige faktorer, der påvirker dynamikken og mekanismerne i den specifikke proces af interesse.

Laserpulsens ekstremt høje energi sikrer, at ikke -lineære processer er effektive. Dette gør det muligt for forskere at 'tune' bølgelængden, producerer laserlys på tværs af det elektromagnetiske spektrum, fra langt infrarød, gennem synligt lys, ultraviolet og endda røntgenstråler.

Undersøger ejendomme og tvinger midlertidige tilstande på FLEET

Udover at undersøge nye og komplekse materialer, disse højenergier, ultrakorte laserpulser kan bruges til at kontrollere egenskaberne af disse materialer, og endda få dem til at ændre tilstand, bliver til nye kvantetilstande af stof.

"I FLEET, vi udvikler måder at ændre todimensionelle materialer fra at være trivielle isolatorer til det, der kaldes topologiske isolatorer, og tilbage igen, "forklarer lektor Davis.

Topologiske isolatorer er en forholdsvis ny tilstand, anerkendt af Nobelprisen i fysik i 2016, der ikke leder elektricitet gennem deres indre men den elektriske strøm kan snarere flyde rundt om kanterne uden modstand, og dermed uden energitab.

FLEET vil drage fordel af denne unikke egenskab til at udvikle en ny generation af topologiske elektroniske enheder, der ikke spilder energi, når de skifter.

Den foreslåede teknologi kan også potentielt skifte meget hurtigere end nuværende, siliciumbaseret elektronik.

"Ultrahurtige laserpulser tillader udsøgt kontrol over materialets egenskaber, giver os mulighed for ultrahurtig omstilling, "siger lektor Davis.

"Denne udsøgte kontrol og vores ultrahurtige måling af dynamik giver os mulighed for fuldt ud at forstå disse faseovergange, giver os mulighed for at optimere deres kontrol i fremtidige enheder.

"Så, det er grundvidenskab, men med en øjeblikkelig ansøgning, "forklarer lektor Davis.

"Disse eksperimenter forbedrer vores grundlæggende forståelse af topologiske faseovergange, og vi bruger denne viden i vores undersøgelser af fremtidens ultralav energi, topologisk baseret elektronik. "