L'aplicació dels làsers de femtosegons

Els làsers de femtosegons són dispositius que generen "llum polsada ultracurta" que emeten llum durant un període de temps ultra curt de només un gigabit de segon. Femto és l'abreviatura del sistema internacional d'unitats femto (femto), 1 femtosegon=1 × 10^-15 segons. L'anomenada llum polsada és només en un moment per alliberar llum. El temps d'emissió de llum del flaix de la càmera és d'aproximadament 1 microsegon, de manera que el pols ultracurt de la llum de femtosegon només és d'aproximadament una mil·milionèsima part del seu temps per alliberar llum. Com tots sabem, la velocitat de la llum és de 300,000 quilòmetres per segon (7 setmanes i mitja al voltant de la terra en 1 segon) una velocitat incomparable, però durant 1 femtosegon, la llum fins i tot només avança 0,3 micres.
Normalment, fem servir la fotografia amb flaix per poder retallar l'estat instantani de l'objecte en moviment. De la mateixa manera, amb un flaix làser de femtosegon, és possible veure cada fragment d'una reacció química que està passant a una velocitat violenta. Per aquest motiu, els làsers de femtosegons es poden utilitzar per estudiar el misteri de les reaccions químiques.
Les reaccions químiques en general tenen lloc després d'un estat intermedi d'alta energia, l'anomenat "estat activat". L'existència de l'estat d'activació va ser predita teòricament pel químic Arrhenius l'any 1889, però no es va poder observar directament perquè va existir en molt poc temps. No obstant això, la seva existència va ser demostrada directament per un làser de femtosegon a finals dels anys vuitanta, i aquest és un exemple d'una reacció química identificada amb un làser de femtosegon. Per exemple, la descomposició d'una molècula de ciclopentanona en monòxid de carboni i dues molècules d'etilè en estat activat.
Actualment, els làsers de femtosegons també s'utilitzen en un ampli ventall de camps com la física, la química, les ciències de la vida, la medicina, l'enginyeria, etc. En particular, la llum i l'electrònica van de la mà i s'espera que obrin tot tipus de noves possibilitats en l'àmbit de la comunicació o la informàtica i l'energia. Això es deu al fet que la intensitat de la llum pot transmetre una gran quantitat d'informació d'un lloc a un altre gairebé sense pèrdua, fent que la comunicació òptica sigui més ràpida. En el camp de la física nuclear, els làsers de femtosegons han tingut un gran impacte. Com que la llum polsada té un camp elèctric molt fort, és possible accelerar electrons a prop de la velocitat de la llum en 1 femtosegon, i per tant es pot utilitzar com a "pedal de gas" per accelerar electrons.
Aplicacions mèdiques
Com s'ha esmentat anteriorment, el món en femtosegons està tan congelat que fins i tot la llum no pot moure's molt lluny, però fins i tot en aquesta escala de temps, els àtoms i les molècules de la matèria i els electrons dels circuits dins dels xips d'ordinador encara es mouen. Si utilitzeu polsos de femtosegons podeu fer que s'aturi a l'instant i estudiar què està passant. A més dels flaixos que detenen el temps, els làsers de femtosegons són capaços de perforar forats microscòpics en metall de fins a 200 nanòmetres (dues mil·lèsimes de mil·límetre) de diàmetre. Això vol dir que els polsos ultracurts de llum que es comprimeixen i es tanquen a l'interior durant un curt període de temps aconsegueixen una sortida increïblement alta sense danys addicionals a la zona circumdant. A més, la llum polsada del làser femtosegon és capaç de prendre imatges estèreo extremadament fines del subjecte. La fotografia estereoscòpica és de gran utilitat en el diagnòstic mèdic, obre un nou camp d'investigació anomenat tomografia d'interferència òptica. Es tracta de l'ús de làsers de femtosegons per prendre imatges estereoscòpiques de teixits i cèl·lules vives. Per exemple, un pols de llum molt curt s'adreça a la pell, i la llum polsada es reflecteix a la superfície de la pell, amb part de la llum polsada dirigida cap a la pell. L'interior de la pell consta de moltes capes, i la llum polsada que es dispara a la pell es recupera com a petits polsos, i a partir dels ecos d'aquestes llums polsades en forma a la llum reflectida, és possible conèixer l'estructura interna de la pell.
A més, aquesta tecnologia té una gran utilitat en oftalmologia, on és possible prendre imatges estereoscòpiques de la retina a l'interior de l'ull. Així, els metges poden diagnosticar si hi ha un problema amb els seus teixits. Aquest examen no es limita als ulls, però si el làser s'envia al cos amb fibra òptica, es poden examinar tots els teixits de diversos òrgans del cos i, en el futur, fins i tot es pot comprovar si s'han convertit en cancerós.
Aconseguiu un rellotge ultra precís
Els científics creuen que si un rellotge amb làser de femtosegon es fa amb llum visible, serà capaç de mesurar el temps amb més precisió que un rellotge atòmic i servirà com el rellotge més precís del món en els propers anys. Si el rellotge és precís, també millora molt la precisió del GPS (Sistema de posicionament global) utilitzat per a la navegació del cotxe.
Per què la llum visible pot fer rellotges precisos? Tots els rellotges i rellotges no tenen pèndol i engranatges per al moviment, a través del balanceig del pèndol amb una freqüència de vibració precisa, de manera que els engranatges giren segons, els rellotges precisos no són una excepció. Per tant, per crear rellotges més precisos, cal utilitzar un pèndol amb una freqüència de vibració més alta. Els rellotges de quars (rellotges amb oscil·lacions de cristall en lloc de pèndols) són més precisos que els rellotges de pèndol, i això és perquè els ressonadors de quars oscil·len més vegades per segon.
La freqüència d'oscil·lació del rellotge atòmic de cesi, que ara és l'estàndard de temps, és d'uns 9,2 gigahertzs ​​(la paraula cap de la unitat internacional giga, 1 giga=10^9). El rellotge atòmic és l'ús d'àtoms de cesi inherent a la freqüència d'oscil·lació, amb la seva freqüència d'oscil·lació consistent amb el microones en comptes del pèndol, la seva precisió és de desenes de milions d'anys només 1 segon de diferència. En canvi, la llum visible té una freqüència d'oscil·lació de 100,000 a 1 milió de vegades superior a la freqüència d'oscil·lació del microones, és a dir, la llum visible es pot utilitzar per crear rellotges de precisió amb una precisió un milió de vegades més gran que els rellotges atòmics. Ara s'ha construït amb èxit al laboratori el rellotge més precís del món que utilitza llum visible.
Amb l'ajuda d'aquest rellotge precís és possible verificar la teoria de la relativitat d'Einstein. Serem un rellotge tan precís al laboratori, l'altre a l'oficina de la planta baixa, considerem la possible situació, després d'una o dues hores, els resultats predits per la teoria de la relativitat d'Einstein, a causa de les dues capes tenen un "camp gravitatori" diferent. entre els dos rellotges ja no apunten a la mateixa hora, el rellotge a baix que el rellotge a dalt El rellotge a baix es mou més lent que el rellotge a dalt. Amb un rellotge més precís, potser fins i tot el rellotge del canell i el turmell no tindrien la mateixa hora aquell dia. Simplement podem experimentar la fascinació de la relativitat amb l'ajuda de rellotges precisos.
Tecnologia que frena la llum
L'any 1999, el professor Rainer Howe de la Universitat Hubbart dels Estats Units va aconseguir frenar la llum a 17 metres per segon, una velocitat que un cotxe podria aconseguir, i més tard a una velocitat que fins i tot una bicicleta podria aconseguir. Aquest experiment implica una investigació a l'avantguarda de la física, i en aquest article només es presenten dues claus per a l'èxit de l'experiment. Un és la construcció d'un "núvol" d'àtoms de sodi a temperatures extremadament baixes properes al zero absolut (-273,15 graus), un estat especial de gas conegut com a condensat de Bose-Einstein. L'altre és un làser (làser de control) que regula la freqüència de les vibracions i irradia amb ell el núvol d'àtoms de sodi, amb el resultat que passa alguna cosa increïble.
En primer lloc, amb l'ajuda del làser de control, la llum polsada es va comprimir en el núvol d'àtoms i es va alentir a una velocitat extrema. Aleshores, el làser de control torna a brillar i la llum polsada es restaura i surt del núvol atòmic. Els polsos que es van comprimir es tornen a eixamplar i es restableix la velocitat. Tot el procés d'introduir la informació de la llum polsada al núvol atòmic és similar a la lectura, emmagatzematge i restabliment en un ordinador, de manera que aquesta tècnica és útil per a la implementació d'ordinadors quàntics.
Del món "femtosegon" al món "atosegon".
Els femtosegons ja estan més enllà de la nostra imaginació. Ara ens aventurem al món de l'"attosegon", que és encara més curt que el femtosegon. A és l'abreviatura de la paraula atto del Sistema Internacional d'Unitats (SI). 1 attosegon=1 x 10^-18 segons=1 mil·lèsima de femtosegon. No es pot fer un pols d'atosegon amb llum visible perquè s'han de fer polsos més curts amb longituds d'ona de llum més curtes. Per exemple, si voleu crear un pols amb llum visible vermella, no és possible crear un pols amb una longitud d'ona més curta que aquesta. La llum visible és el límit d'uns 2 femtosegons, i per aquest motiu els polsos d'atosegons es fan amb longituds d'ona més curtes de raigs X o raigs gamma. No està clar què es pot trobar en el futur amb un pols de raigs X d'atosegon. Per exemple, utilitzant un interflash d'atosegons per visualitzar una biomolècula, és possible observar la seva activitat a una escala de temps molt curta i potser identificar l'estructura de la biomolècula.