Creato un nuovo e potente metodo di imaging che rivela molti più dettagli sugli eventi ultrarapidi nel mondo microscopico rispetto a quanto fosse mai stato possibile prima. Questi processi si svolgono in tempi incredibilmente brevi, spesso nell’ordine di centinaia di femtosecondi, e tradizionalmente sono stati difficili da studiare. Il nuovo approccio consente agli scienziati di osservare e analizzare questi rapidi cambiamenti con eccezionale chiarezza e velocità.
“Nei campi della fisica, della chimica, della biologia e della scienza dei materiali, molti fenomeni importanti avvengono a velocità incredibile”, ha affermato Yunhua Yao, responsabile del team di ricerca presso la East China Normal University. “La nostra nuova tecnica è in grado di catturare l’intera evoluzione sia della luminosità che della struttura interna di un oggetto in una singola misurazione. Questo rappresenta un grande passo avanti per la comprensione della natura fondamentale della materia, la progettazione di nuovi materiali e persino la scoperta dei misteri dei processi biologici.”
Il team ha descritto il proprio metodo sulla rivista Optica , pubblicazione di Optica Publishing Group dedicata alla ricerca di alto impatto. La tecnica è nota come imaging a femtosecondi con modulazione coerente spettrale-temporale compressa (CST-CMFI). Utilizzando questo sistema, i ricercatori sono stati in grado di tracciare attività ultrarapide come la formazione di plasma nell’acqua dopo un impulso laser a femtosecondi e il comportamento dei portatori di carica eccitati nel ZnSe.
“Oltre ad aiutare gli scienziati a studiare materiali che cambiano istantaneamente in risposta alla luce laser, reazioni chimiche che riorganizzano gli atomi alla velocità della luce e il comportamento dinamico delle biomolecole su scale temporali incredibilmente brevi, il CST-CMFI potrebbe contribuire a migliorare le tecnologie laser ad alta potenza utilizzate per la ricerca sulle energie pulite, la produzione avanzata e la strumentazione scientifica”, ha affermato Yao. “Potrebbe anche portare allo sviluppo di dispositivi elettronici più efficienti, celle solari migliorate e dispositivi più veloci, consentendo una migliore comprensione di come i materiali si comportano su scale temporali estremamente rapide.”
Catturare più della semplice luminosità nelle immagini ultraveloci
Questo lavoro si inserisce nel quadro delle attività in corso presso l’Extreme Optical Imaging Laboratory della East China Normal University, volte a sviluppare tecnologie per fotocamere ultraveloci. Un obiettivo chiave è l’imaging ottico ultraveloce a scatto singolo, che cattura eventi irripetibili registrando tutto in una singola esposizione, in modo simile allo scatto di un singolo fotogramma che contiene un’intera sequenza.
In passato, queste tecniche registravano principalmente le variazioni di luminosità, note anche come intensità luminosa. Tuttavia, la luce trasporta anche informazioni di fase, che rivelano come si piega o cambia velocità quando attraversa i materiali. I ricercatori si sono proposti di catturare contemporaneamente sia l’intensità che la fase, fornendo un quadro più completo dei processi ultrarapidi.
Per raggiungere questo obiettivo, hanno combinato la mappatura tempo-spettro, l’imaging spettrale compressivo e l’imaging a modulazione coerente. Ciascun metodo offre un vantaggio specifico, tra cui la capacità di seguire cambiamenti estremamente rapidi, raccogliere più dati in una singola misurazione e preservare i dettagli più fini dell’immagine.
Come funziona la tecnica CST-CMFI
Il sistema utilizza un impulso laser modulato in frequenza (chirped laser pulse) composto da più lunghezze d’onda che arrivano in momenti leggermente diversi. Questa configurazione collega efficacemente il tempo alla lunghezza d’onda. Quando l’impulso interagisce con un evento in rapida evoluzione, la luce diffusa trasporta informazioni dettagliate sullo spazio, sullo spettro e sulla fase. Queste informazioni vengono quindi compresse in un’unica immagine tramite la tecnica di imaging a modulazione coerente con codifica di dispersione (DCM).
Una rete neurale basata su principi fisici elabora questi dati separando le lunghezze d’onda e ricostruendo sia l’intensità che la fase nel tempo. Poiché ogni lunghezza d’onda rappresenta un momento specifico, il risultato è una sequenza di fotogrammi che forma un filmato ultraveloce catturato in un singolo scatto.
Visualizzazione in tempo reale del comportamento del plasma e degli elettroni
Per testare la tecnica, i ricercatori hanno esaminato due tipi di fenomeni ultrarapidi. Un esperimento si è concentrato sul plasma creato in acqua da un laser a femtosecondi. Comprendere come si forma e si evolve questo plasma potrebbe supportare applicazioni come le procedure mediche basate sul laser. I risultati delle immagini hanno rivelato cambiamenti sia di luminosità che di fase all’interno del canale di plasma, inclusa la formazione di un plasma denso di elettroni liberi che influenza il modo in cui la luce viene assorbita e come si propaga attraverso l’acqua.
Il team ha inoltre studiato la dinamica dei portatori di carica nel ZnSe per comprendere meglio come si muovono le cariche elettriche dopo essere state eccitate dalla luce. Approfondimenti come questi sono importanti per migliorare i dispositivi ottici ed elettronici realizzati con questo materiale, aprendo potenzialmente la strada a tecnologie più veloci ed efficienti.
“Utilizzando la tecnica CST-CMFI, siamo stati in grado di osservare le variazioni di fase associate alla dinamica dei portatori di carica, anche in assenza di cambiamenti significativi nell’intensità”, ha affermato Yao. “Questo evidenzia un vantaggio fondamentale del nostro metodo: le misurazioni di fase possono essere molto più sensibili delle misurazioni di intensità nel rilevare processi ultrarapidi e sottili.”
Applicazioni in espansione e miglioramenti futuri
In prospettiva, i ricercatori prevedono di applicare il metodo allo studio di ulteriori fenomeni, tra cui le dinamiche di interfaccia e le transizioni di fase ultrarapide. Questi ambiti richiedono la rilevazione di variazioni estremamente piccole nella fase della luce, il che rende la nuova tecnica particolarmente preziosa.
Attualmente, CST-CMFI converte le informazioni spettrali in informazioni temporali, il che ne limita la capacità di studiare processi altamente sensibili alle variazioni spettrali. Per ovviare a questo problema, il team si propone di combinare CST-CMFI con la fotografia ultrarapida compressiva. Questo ulteriore passo consentirebbe di acquisire separatamente le informazioni spettrali e temporali, ampliando significativamente la gamma di applicazioni e migliorando la versatilità complessiva della tecnologia.
by 