Forskere udvikler en kompakt on-chip-enhed til at detektere elektriske feltbølgeformer med attosecond-tidsopløsning

At forstå, hvordan lysbølger svinger i tid, når de interagerer med materialer, er afgørende for at forstå lysdrevet energioverførsel i materialer, såsom solceller eller planter. På grund af de fantastisk høje hastigheder, hvormed lysbølger svinger, imidlertid, forskere har endnu ikke udviklet en kompakt enhed med tilstrækkelig tidsopløsning til direkte at fange dem.

Nu, et hold ledet af MIT-forskere har demonstreret chip-skalaenheder, der direkte kan spore lysbølgernes svage elektriske felt, når de ændrer sig over tid. Deres enhed, som inkorporerer en mikrochip, der bruger korte laserimpulser og nanoskala antenner, er nem at bruge, kræver ikke noget særligt miljø for drift, minimale laserparametre, og konventionel laboratorieelektronik.

Teamets arbejde, udgivet tidligere på måneden i Naturfotonik , kan muliggøre udvikling af nye værktøjer til optiske målinger med applikationer inden for områder som biologi, medicin, fødevaresikkerhed, gassensing, og opdagelse af lægemidler.

"De potentielle anvendelser af denne teknologi er mange, " siger medforfatter Phillip Donnie Keathley, gruppeleder og Research Laboratory of Electronics (RLE) forsker. "For eksempel, ved at bruge disse optiske prøveudtagningsanordninger, forskere vil være i stand til bedre at forstå optiske absorptionsveje i anlæg og solcelleanlæg, eller for bedre at identificere molekylære signaturer i komplekse biologiske systemer."

Keathleys medforfattere er hovedforfatteren Mina Bionta, en senior postdoc ved RLE; Felix Ritzkowsky, en kandidatstuderende ved Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) og University of Hamburg, som var MIT-gæstestuderende; og Marco Turchetti, en kandidatstuderende i RLE. Holdet blev ledet af Keathley, der arbejdede med professorer Karl Berggren i MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS); Franz Kärtner fra DESY og Universitetet i Hamburg i Tyskland; og William Putnam fra University of California i Davis. Andre medforfattere er Yujia Yang, en tidligere MIT postdoc nu ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFPL), og Dario Cattozzo Mor, en tidligere gæsteelev.

Det ultrahurtige møder det ultrasmå – tiden står stille i spidsen af ​​en nål

Forskere har længe søgt efter metoder til at måle systemer, efterhånden som de ændrer sig over tid. Sporing af gigahertz-bølger, som dem, der bruges til din telefon eller Wi-Fi-router, kræver en tidsopløsning på mindre end 1 nanosekund (en milliardtedel af et sekund). At spore synlige lysbølger kræver en endnu hurtigere tidsopløsning - mindre end 1 femtosekund (en milliontedel af en milliardtedel af et sekund).

MIT og DESY forskerhold designede en mikrochip, der bruger korte laserimpulser til at skabe ekstremt hurtige elektroniske blink ved spidsen af ​​nanoskala antenner. Antennerne i nanoskala er designet til at forbedre feltet af den korte laserimpuls til det punkt, at de er stærke nok til at rive elektroner ud af antennen, skabe et elektronisk blitz, der hurtigt afsættes i en opsamlingselektrode. Disse elektroniske blink er ekstremt korte, varer kun et par hundrede attosekunder (nogle få hundrede milliarder af en milliard af 1 sekund).

Ved at bruge disse hurtige blink, forskerne var i stand til at tage snapshots af meget svagere lysbølger, der svingede, da de passerede chippen.

"Dette arbejde viser, en gang til, hvordan fusionen af ​​nanofabrikation og ultrahurtig fysik kan føre til spændende indsigt og nye ultrahurtige måleværktøjer, siger professor Peter Hommelhoff, professor i laserfysik ved universitetet i Erlangen-Nürnberg, som ikke var forbundet med dette arbejde. "Alt dette er baseret på den dybe forståelse af den underliggende fysik. Baseret på denne forskning, vi kan nu måle ultrahurtige feltbølgeformer af meget svage laserimpulser."

Evnen til direkte at måle lysbølger i tid vil gavne både videnskab og industri, siger forskerne. Når lys interagerer med materialer, dens bølger ændres med tiden, efterlader signaturer af molekylerne indeni. Denne optiske feltsamplingsteknik lover at fange disse signaturer med større troskab og følsomhed end tidligere metoder, mens den bruger kompakt og integrerbar teknologi, der er nødvendig for applikationer i den virkelige verden.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.