Os pesquisadores desenvolveram um novo e poderoso método de imagem que revela mais detalhes do que nunca sobre fenômenos ultrarrápidos no mundo microscópico. Esses processos se desenrolam em escalas de tempo incrivelmente curtas, muitas vezes dentro de centenas de femtossegundos, e têm sido tradicionalmente difíceis de estudar. O novo método permite aos cientistas observar e analisar estas mudanças rápidas com clareza e velocidade excepcionais.
“Nos campos da física, química, biologia e ciência dos materiais, muitos eventos importantes ocorrem incrivelmente rápido”, disse Yunhua Yao, líder da equipe de pesquisa da East China Normal University. “Nossa nova técnica pode capturar toda a evolução da luminosidade e da estrutura interna de um objeto em uma única medição. Este é um grande passo em frente para a compreensão da natureza fundamental da matéria, projetando novos materiais e até mesmo desvendando os mistérios dos processos biológicos.”
A equipe descreveu seu método ópticoRevista do Optica Publishing Group para pesquisas de alto impacto. A técnica é conhecida como imagem de femtossegundo com modulação coerente espectral-temporal comprimida (CST-CMFI). Usando este sistema, os pesquisadores conseguiram rastrear atividades ultrarrápidas, como a formação de plasma na água, e o comportamento de portadores de carga excitados em ZnSe após um pulso de laser de femtosegundo.
“Além de ajudar os cientistas a estudar materiais que mudam instantaneamente em resposta à luz laser, reações químicas que reorganizam átomos na velocidade da luz e o comportamento dinâmico de biomoléculas em escalas de tempo incrivelmente curtas, o CST-CMFI pode ajudar a avançar tecnologias de laser em pesquisa de energia limpa, fabricação avançada e instrumentação.” “Isso poderia levar ao desenvolvimento de eletrônicos mais eficientes, células solares melhoradas e dispositivos mais rápidos que permitem uma melhor compreensão de como os materiais se comportam em escalas de tempo extremamente rápidas”.
Capturando mais do que brilho em imagens ultrarrápidas
Este trabalho faz parte de um esforço contínuo para aprimorar a tecnologia de câmeras ultrarrápidas no Laboratório de Imagens Ópticas Extremas da East China Normal University. Um foco principal é a imagem óptica ultrarrápida de disparo único, que captura eventos que não podem ser repetidos gravando tudo em uma única exposição, semelhante a capturar um único quadro que contém uma sequência inteira.
No passado, estas técnicas registavam principalmente alterações no brilho, também conhecidas como intensidade da luz. No entanto, a luz também carrega informações de fase, que revelam como ela se curva ou muda de velocidade à medida que passa pela matéria. Os pesquisadores decidiram capturar a intensidade e a fase ao mesmo tempo, fornecendo uma imagem mais completa dos processos ultrarrápidos.
Para conseguir isso, eles combinaram mapeamento de espectro de tempo, imagem espectral compressiva e imagem de modulação coerente. Cada método oferece uma vantagem específica, incluindo a capacidade de acompanhar alterações muito rapidamente, coletar mais dados em uma única medição e preservar detalhes mais precisos da imagem.
Como funciona a técnica CST-CMFI
O sistema usa um pulso de laser chipado composto de vários comprimentos de onda que chegam em momentos ligeiramente diferentes. Esta configuração vincula efetivamente o tempo ao comprimento de onda. Quando os pulsos interagem com fenômenos que mudam rapidamente, a luz espalhada carrega informações espaciais, espectrais e de fase detalhadas. Esta informação é então comprimida em uma única imagem por meio de imagem de modulação coerente codificada por dispersão.
Uma rede neural informada pela física processa esses dados separando os comprimentos de onda e reconstruindo a intensidade e a fase ao longo do tempo. Como cada comprimento de onda representa um momento específico, o resultado é uma sequência de quadros que cria um filme super rápido capturado em uma única tomada.
Visualização em tempo real do comportamento do plasma e dos elétrons
Para testar a técnica, os pesquisadores testaram dois tipos de fenômenos ultrarrápidos. Um experimento focou no plasma criado na água por um laser de femtosegundo. Compreender como esse plasma se forma e evolui pode apoiar aplicações como procedimentos médicos baseados em laser. Os resultados da imagem revelaram mudanças de brilho e de fase dentro do canal de plasma, criando um plasma denso de elétrons livres que afeta a forma como a luz é absorvida e como ela viaja através da água.
A equipe estudou a dinâmica dos portadores no ZnSe para entender melhor como as cargas elétricas se movem após serem excitadas pela luz. Tais insights são importantes para melhorar os dispositivos ópticos e eletrônicos feitos a partir deste material, potencialmente levando a tecnologias mais rápidas e eficientes.
“Usando o CST-CMFI, pudemos ver variações de fase associadas à dinâmica da portadora, mesmo quando não houve mudança significativa na intensidade”, disse Yao. “Isso destaca uma vantagem importante do nosso método: as medições de fase podem ser muito mais sensíveis do que as medições de intensidade na detecção de processos ultrarrápidos sutis.”
Expandindo aplicativos e melhorias futuras
Olhando para o futuro, os pesquisadores planejam aplicar o método para estudar fenômenos adicionais, incluindo dinâmica de interface e transições de fase ultrarrápidas. Nestas áreas, é necessário detectar alterações extremamente pequenas nos níveis de luz, tornando a nova técnica particularmente valiosa.
Atualmente, o CST-CMFI converte informações espectrais em informações temporais, o que limita a capacidade de estudar processos altamente sensíveis a mudanças espectrais. Para resolver isso, a equipe pretende combinar CST-CMFI com fotografia compressiva ultrarrápida. Este próximo passo permitirá que informações espectrais e temporais sejam capturadas separadamente, expandindo significativamente a gama de aplicações e melhorando a versatilidade geral da tecnologia.
