Comprender cómo las ondas de luz oscilan en el tiempo a medida que interactúan con los materiales es esencial para comprender la transferencia de energía impulsada por la luz en los materiales. como células solares o plantas. Debido a las velocidades increíblemente altas a las que oscilan las ondas de luz, sin embargo, Los científicos aún tienen que desarrollar un dispositivo compacto con suficiente tiempo de resolución para capturarlos directamente.

Ahora, un equipo dirigido por investigadores del MIT ha demostrado dispositivos a escala de chip que pueden rastrear directamente el campo eléctrico débil de las ondas de luz a medida que cambian con el tiempo. Su dispositivo, que incorpora un microchip que utiliza pulsos láser cortos y antenas a nanoescala, es fácil de usar, no requieren un entorno especial para su funcionamiento, parámetros mínimos del láser, y electrónica de laboratorio convencional.

El trabajo del equipo, publicado a principios de este mes en Fotónica de la naturaleza , puede permitir el desarrollo de nuevas herramientas para mediciones ópticas con aplicaciones en áreas como la biología, medicamento, Seguridad alimenticia, detección de gas, y descubrimiento de fármacos.

"Las aplicaciones potenciales de esta tecnología son muchas, "dice el coautor Phillip Donnie Keathley, líder de grupo y científico investigador del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE). "Por ejemplo, utilizando estos dispositivos de muestreo óptico, los investigadores podrán comprender mejor las vías de absorción óptica en plantas y energía fotovoltaica, o para identificar mejor las firmas moleculares en sistemas biológicos complejos ".

Los coautores de Keathley son la autora principal Mina Bionta, un postdoctorado senior en RLE; Felix Ritzkowsky, un estudiante de posgrado en el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) y la Universidad de Hamburgo que era un estudiante visitante del MIT; y Marco Turchetti, estudiante de posgrado en RLE. El equipo fue dirigido por Keathley en colaboración con los profesores Karl Berggren en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT (EECS); Franz Kärtner de DESY y la Universidad de Hamburgo en Alemania; y William Putnam de la Universidad de California en Davis. Otros coautores son Yujia Yang, un ex postdoctorado del MIT ahora en École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFPL), y Dario Cattozzo Mor, un ex alumno visitante.

Lo ultrarrápido se encuentra con lo ultrapequeño:el tiempo se detiene en la cabeza de un alfiler

Los investigadores han buscado durante mucho tiempo métodos para medir los sistemas a medida que cambian con el tiempo. Seguimiento de ondas de gigahercios, como los que se utilizan para su teléfono o enrutador Wi-Fi, requiere una resolución de tiempo de menos de 1 nanosegundo (una milmillonésima de segundo). Para rastrear ondas de luz visible se requiere una resolución de tiempo aún más rápida:menos de 1 femtosegundo (una millonésima de una milmillonésima de segundo).

Los equipos de investigación del MIT y DESY diseñaron un microchip que utiliza pulsos de láser cortos para crear destellos electrónicos extremadamente rápidos en las puntas de las antenas a nanoescala. Las antenas a nanoescala están diseñadas para mejorar el campo del pulso láser corto hasta el punto de que son lo suficientemente fuertes como para arrancar electrones de la antena. creando un flash electrónico que se deposita rápidamente en un electrodo colector. Estos flashes electrónicos son extremadamente breves, que dura solo unos pocos cientos de attosegundos (unas cien mil millonésimas de una mil millonésima de 1 segundo).

Usando estos destellos rápidos, los investigadores pudieron tomar instantáneas de ondas de luz mucho más débiles que oscilaban a medida que pasaban por el chip.

"Este trabajo muestra, una vez más, cómo la fusión de la nanofabricación y la física ultrarrápida puede generar conocimientos interesantes y nuevas herramientas de medición ultrarrápidas, "dice el profesor Peter Hommelhoff, cátedra de física láser en la Universidad de Erlangen-Nuremberg, que no estaba relacionado con este trabajo. "Todo esto se basa en la comprensión profunda de la física subyacente. Con base en esta investigación, ahora podemos medir formas de onda de campo ultrarrápido de pulsos de láser muy débiles ".

La capacidad de medir directamente las ondas de luz en el tiempo beneficiará tanto a la ciencia como a la industria. dicen los investigadores. A medida que la luz interactúa con los materiales, sus olas se alteran en el tiempo, dejando firmas de las moléculas en su interior. Esta técnica de muestreo de campo óptico promete capturar estas firmas con mayor fidelidad y sensibilidad que los métodos anteriores mientras utiliza tecnología compacta e integrable necesaria para aplicaciones del mundo real.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.