Att förstå hur ljusvågor svänger i tid när de interagerar med material är avgörande för att förstå ljusdriven energiöverföring i material, som solceller eller växter. På grund av de fantastiskt höga hastigheterna vid vilka ljusvågor pendlar, dock, forskare har ännu inte utvecklat en kompakt enhet med tillräckligt med tidsupplösning för att fånga dem direkt.

Nu, ett team som leds av MIT-forskare har visat chipskalanordningar som direkt kan spåra det svaga elektriska fältet för ljusvågor när de förändras i tid. Deras enhet, som innehåller ett mikrochip som använder korta laserpulser och nanoskalaantenner, är lätt att använda, kräver ingen speciell miljö för drift, minimala laserparametrar, och konventionell laboratorieelektronik.

Lagets arbete, publicerad tidigare denna månad i Nature Photonics , kan möjliggöra utveckling av nya verktyg för optiska mätningar med applikationer inom områden som biologi, medicin, livsmedelssäkerhet, gasavkänning, och upptäckt av droger.

"De möjliga tillämpningarna av denna teknik är många, "säger medförfattaren Phillip Donnie Keathley, gruppledare och Research Laboratory of Electronics (RLE) forskare. "Till exempel, använder dessa optiska provtagningsanordningar, forskare kommer att kunna bättre förstå optiska absorptionsvägar i växter och solceller, eller för att bättre identifiera molekylära signaturer i komplexa biologiska system. "

Keathleys medförfattare är huvudförfattaren Mina Bionta, en senior postdoc vid RLE; Felix Ritzkowsky, en doktorand vid Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) och Hamburgs universitet som var en MIT-gäststudent; och Marco Turchetti, en doktorand i RLE. Teamet leddes av Keathley som arbetade med professorerna Karl Berggren vid MIT -avdelningen för elektroteknik och datavetenskap (EECS); Franz Kärtner från DESY och University of Hamburg i Tyskland; och William Putnam från University of California at Davis. Andra medförfattare är Yujia Yang, en tidigare MIT postdoc nu vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFPL), och Dario Cattozzo Mor, en tidigare gäststudent.

Den ultrasnabba möter ultraljudet - tiden står still vid huvudet på en nål

Forskare har länge sökt metoder för att mäta system när de förändras i tid. Spåra gigahertz -vågor, som de som används för din telefon eller Wi-Fi-router, kräver en tidsupplösning på mindre än 1 nanosekund (en miljarddels sekund). För att spåra synliga ljusvågor krävs en ännu snabbare tidsupplösning-mindre än 1 femtosekund (en miljonedel av en miljarddel av en sekund).

MIT- och DESY -forskargrupperna konstruerade ett mikrochip som använder korta laserpulser för att skapa extremt snabba elektroniska blixtar vid spetsarna av nanoskalaantenner. Nanoskalaantennerna är utformade för att förbättra fältet för den korta laserpulsen till den grad att de är tillräckligt starka för att slita ut elektroner ur antennen, skapa en elektronisk blixt som snabbt deponeras i en uppsamlingselektrod. Dessa elektroniska blixtar är extremt korta, varar bara några hundra attosekunder (några hundra-miljarder av en miljarddel av 1 sekund).

Med dessa snabba blixtar, forskarna kunde ta ögonblicksbilder av mycket svagare ljusvågor som pendlade när de passerade chipet.

"Detta arbete visar, en gång till, hur sammanslagningen av nanofabrikation och ultrasnabb fysik kan leda till spännande insikter och nya ultrasnabba mätverktyg, "säger professor Peter Hommelhoff, ordförande för laserfysik vid universitetet i Erlangen-Nürnberg, som inte var kopplad till detta arbete. "Allt detta är baserat på den djupa förståelsen av den underliggande fysiken. Baserat på denna forskning, vi kan nu mäta ultrasnabba fältvågformer av mycket svaga laserpulser. "

Möjligheten att direkt mäta ljusvågor i tid kommer att gynna både vetenskap och industri, säger forskarna. När ljuset interagerar med material, dess vågor förändras med tiden, lämnar signaturer av molekylerna inuti. Denna optiska fältprovtagningsteknik lovar att fånga dessa signaturer med större trohet och känslighet än tidigare metoder samtidigt som man använder kompakt och integrerbar teknik som behövs för verkliga applikationer.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.