麻省理工学院开发纳米结构装置,可在其轨道中停止光线

激光照亮纳米级装置

当激光照亮这些纳米级设备(蓝色波)时,在纳米尖端的末端产生阿秒电子闪光(红色脉冲),并用于追踪弱光场(红色波)。信贷:马可Turchetti

麻省理工学院研究人员开发紧凑的片上装置,用于检测具有AttoSecond Time分辨率的电场波形。

了解光波如何及时振荡,因为它们与材料相互作用是必不可于理解诸如太阳能电池或植物的材料中的光驱动能量转移。然而,由于光波振荡的奇妙高速,科学家们尚未开发一个具有足够时间分辨率的紧凑型设备,以直接捕获它们。

现在,由麻省理工学院研究人员领导的团队已经证明了芯片尺度的装置,可以直接追踪光波的弱电场随着时间的变化。它们的设备包括使用短芯片使用短的激光脉冲和纳米级天线,易于使用,不需要操作,最小的激光参数和传统的实验室电子设备。

这个团队的工作,本月早些时候发表在自然光子学,可以通过在生物,医学,食品安全,气体传感和药物发现等领域的应用中实现用于光学测量的新工具。yabo124

“这项技术的潜在应用是许多人,”电子(RLE)研究科学家的团队领导和研究实验室共同作者菲利普·唐尼Keathley。“例如,使用这些光学采样装置,研究人员能够更好地了解植物和光伏中的光学吸收途径,或者更好地识别复杂生物系统中的分子签名。”

Keathley的共同作者是主要作者Mina Bionta, RLE的高级博士后;Felix Ritzkowsky是德国电子同步加速器(斯菊)和汉堡大学,他是麻省理工学院的访问学生;马尔科·图尔凯蒂,RLE的研究生。该团队由Keathley领导,与麻省理工学院电气工程和计算机科学系(EECS)的卡尔·伯格伦教授合作;德国汉堡大学和德国DESY的Franz Kärtner;以及加州大学戴维斯分校的威廉·帕特南。其他合著者是前麻省理工学院博士后杨宇佳(Yujia Yang),现在École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFPL),以及前访问学生达里奥·卡托佐·莫尔(Dario Cattozzo Mor)。

超快遇上超小,时间静止在针尖上

研究人员长期寻求测量系统时的测量方法。跟踪用于手机或Wi-Fi路由器的Gigahertz波,需要时间分辨率低于1纳秒(十亿分之一)。追踪可见光波需要更快的时间分辨率 - 不到1毫不赘(百万分钟的一亿秒)。

麻省理工学院和DESY研究小组设计了一种微芯片,它利用短激光脉冲在纳米级天线的尖端产生极快的电子闪光。这种纳米级天线的设计目的是增强短激光脉冲的磁场,使其足够强,能够将电子从天线中剥离出来,产生电子闪光,并迅速沉积到一个收集电极中。这些电子闪光极其短暂,只持续几百阿秒(1秒的几千亿分之一)。

使用这些快速闪烁,研究人员能够在芯片通过时振荡的较弱光波的快照。

埃尔兰根-纽伦堡大学(University of Erlangen-Nuremberg)激光物理学教授彼得·霍姆霍夫(Peter Hommelhoff)没有参与这项工作,他说:“这项工作再次表明,纳米制造和超快物理的结合可以带来令人兴奋的见解和新的超快测量工具。”“所有这些都基于对潜在物理的深刻理解。基于这项研究,我们现在可以测量非常弱的激光脉冲的超快场波形。”

研究人员说,及时直接测量光波的能力将有利于科学和工业。当光与物质相互作用时,光波会随着时间的变化而改变,留下内部分子的特征。这种光场采样技术承诺以更大的保真度和灵敏度捕获这些特征,同时使用紧凑和可集成的技术需要实际应用。

参考文献:“阿秒分辨率的光场片上采样”,作者Mina R. Bionta, Felix Ritzkowsky, Marco Turchetti, Yujia Yang, Dario Cattozzo Mor, William P. Putnam, Franz X. Kärtner, Karl K. Berggren and Phillip D. Keathley, 2021年4月15日,自然光子学
DOI:10.1038 / S41566-021-00792-0

这项研究是由美国空军科学研究办公室通过一个名为“使用纳米结构电子发射器的光场片上PHz处理”的年轻研究者项目和一个名为“空态电子”的多大学研究计划(MURI)支持的。这项工作也得到了欧洲研究理事会、麻省理工学院-汉堡PIER项目和SENSE的部分支持。纳米麻省理工学院。

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