Tekniken för att generera hög intensitet, ultrakorta optiska pulser utvecklade av 2018 års Nobelpristagare i fysik, Professor Gérard Mourou och Dr Donna Strickland, ger grunden för viktiga vetenskapliga angreppssätt som används i Swinburnes forskning.

ARC Center of Excellence for Future Low Energy Electronics Technologies (FLEET) chefsutredare på Swinburne, Docent Jeff Davis, använder laserpulser bara några kvadrilliondelar av en sekund i varaktighet för att undersöka roman, komplexa material som skulle kunna användas i framtida lågenergielektronik.

Studieområdet är ultrasnabb "femtosekund"-spektroskopi – en femtosekund är en miljondels miljarddels sekund.

"Dessa extremt kortvariga pulser är nödvändiga för att mäta utvecklingen av subatomära partiklar som elektroner, " förklarar docent Davis.

"När du vill mäta hur snabbt något rör sig, du behöver en startpistol för att få igång saker och ting och något som stoppar klockan.

"I ett 100 meter lopp, detta är enkelt eftersom tiden det tar att springa 100 meter är långsam jämfört med hur snabbt du kan trycka på knapparna på ett stoppur.

"Men när du vill mäta den exakta utvecklingen av elektroner, som kan ändra deras egenskaper eller tillstånd på femtosekunder, du måste kunna starta och stoppa klockan mycket, mycket snabbare. Vi använder femtosekundlaserpulser för att uppnå detta."

Swinburne har den högsta koncentrationen av ultrasnabba lasersystem på södra halvklotet, många förlitar sig på den teknik som utvecklats av Dr. Strickland och professor Mourou. Faktiskt, Swinburne var det första labbet i Australien som installerade ett av dessa förstärkta lasersystem, 1998, att ge en grundläggande förståelse för nya material.

Chirped-pulsförstärkning

Utvecklingen av chirped-pulse amplification (CPA) av professor Mourou och Dr. Strickland har möjliggjort vetenskapliga upptäckter inom ett antal områden.

CPA tillåter att högenergipulser produceras varje mikrosekund – en miljon pulser per sekund – vilket innebär att spektroskopimätningar kan utföras inom rimlig tid, tillåta tillräcklig data att inhämtas för att minimera brusnivåer på svaga signaler.

Detta gör det också möjligt att variera olika styrparametrar för att bygga upp en heltäckande bild av de viktiga faktorer som påverkar dynamiken och mekanismerna i den specifika processen av intresse.

Den extremt höga energin hos laserpulsen säkerställer att olinjära processer är effektiva. Detta gör det möjligt för forskare att "justera" våglängden, producerar laserljus över det elektromagnetiska spektrumet, från långt infrarött, genom synligt ljus, ultravioletta och även röntgenstrålar.

Undersöka egenskaper och tvinga fram tillfälliga tillstånd vid FLEET

Förutom att sondera nya och komplexa material, dessa högenergi, ultrakorta laserpulser kan användas för att kontrollera egenskaperna hos dessa material, och till och med driva dem att ändra tillstånd, blir nya kvanttillstånd av materia.

"I FLEET, vi utvecklar sätt att förändra tvådimensionella material från att vara triviala isolatorer till vad som kallas topologiska isolatorer, och tillbaka igen, " förklarar docent Davis.

Topologiska isolatorer är ett relativt nytt tillstånd av materia, erkänd av 2016 års Nobelpris i fysik, som inte leder elektricitet genom sitt inre, utan snarare kan den elektriska strömmen flyta runt kanterna utan motstånd, och därmed utan energiförlust.

FLEET kommer att dra nytta av denna unika egenskap för att utveckla en ny generation topologiska elektroniska enheter som inte slösar energi när de byter.

Den föreslagna tekniken kan också potentiellt byta mycket snabbare än nuvarande, kiselbaserad elektronik.

"Ultrasnabba laserpulser tillåter utsökt kontroll över materialets egenskaper, ger oss potentialen för ultrasnabb växling, säger docent Davis.

"Denna utsökta kontroll och vår ultrasnabba mätning av dynamik kommer att tillåta oss att till fullo förstå dessa fasövergångar, så att vi kan optimera deras kontroll i framtida enheter.

"Så, det är grundläggande vetenskap, men med en omedelbar ansökan, " förklarar docent Davis.

"Dessa experiment förbättrar vår grundläggande förståelse av topologiska fasövergångar, och vi använder denna kunskap i våra undersökningar av framtida ultralåg energi, topologiskt baserad elektronik."