Os pesquisadores criaram um novo e poderoso método de imagem que revela mais detalhes do que nunca sobre eventos ultrarrápidos no mundo microscópico. Esses processos se desenrolam em períodos de tempo extremamente curtos, muitas vezes em centenas de femtossegundos, e têm sido tradicionalmente difíceis de estudar. Novos métodos permitem aos cientistas observar e analisar estas mudanças rápidas com clareza e velocidade excepcionais.
“Nos campos da física, química, biologia e ciência dos materiais, muitos fenómenos importantes acontecem muito rapidamente”, disse Yao Yunhua, líder da equipa de investigação da Universidade Normal da China Oriental. “Nossa nova técnica pode capturar a evolução completa do brilho e da estrutura interna de um objeto em uma única medição. Este é um enorme passo em frente para a compreensão das propriedades fundamentais da matéria, projetando novos materiais e até mesmo desvendando os mistérios dos processos biológicos.”
A equipe descreve sua abordagem em Ópticoa revista de pesquisa de alto impacto do Optica Publishing Group. Esta técnica é chamada de imagem de femtosegundo de modulação coerente de tempo espectral compactado (CST-CMFI). Usando este sistema, os pesquisadores conseguiram rastrear atividades ultrarrápidas, como a formação de plasma na água após pulsos de laser de femtosegundo e o comportamento de portadores de carga excitados no seleneto de zinco.
“Além de ajudar os cientistas a estudar materiais que mudam instantaneamente em resposta a lasers, reações químicas que reorganizam átomos na velocidade da luz e o comportamento dinâmico de biomoléculas em períodos de tempo extremamente curtos, o CST-CMFI também pode ajudar a melhorar a tecnologia de laser de alta potência para pesquisa de energia limpa, fabricação avançada e instrumentação científica”, disse Yao. “Ao compreender melhor como os materiais se comportam em escalas de tempo extremamente rápidas, isso também poderá levar ao desenvolvimento de eletrônicos mais eficientes, células solares melhoradas e dispositivos mais rápidos.”
Capturando mais do que apenas brilho em imagens ultrarrápidas
Este trabalho faz parte de um esforço contínuo do Aurora Imaging Laboratory da East China Normal University para avançar na tecnologia de câmeras ultrarrápidas. Um foco principal é a imagem óptica ultrarrápida de disparo único, que captura eventos irrepetíveis gravando tudo em uma única exposição, semelhante à captura de um único quadro que abrange toda a sequência.
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 pelos materiais. Os pesquisadores decidiram capturar a intensidade e a fase simultaneamente para fornecer uma imagem mais completa do processo ultrarrápido.
Para conseguir isso, eles combinaram mapeamento espectral temporal, imagem espectral compactada e imagem de modulação coerente. Cada método tem suas vantagens específicas, incluindo a capacidade de rastrear alterações extremamente rápidas, coletar mais dados em uma única medição e preservar detalhes precisos da imagem.
Como funciona a tecnologia CST-CMFI
O sistema usa pulsos de laser compostos de vários comprimentos de onda que chegam em momentos ligeiramente diferentes. Essa configuração vincula efetivamente o tempo ao comprimento de onda. Quando os pulsos interagem com eventos que mudam rapidamente, a luz espalhada carrega informações espaciais, espectrais e de fase detalhadas. Essa informação é então comprimida em uma única imagem por meio de imagens de modulação coerente codificadas por dispersão.
As redes neurais baseadas na física processam esses dados separando comprimentos de onda e reconstruindo a intensidade e a fase ao longo do tempo. Como cada comprimento de onda representa um momento específico no tempo, o resultado é uma série de quadros que formam um filme ultrarrápido gravado em uma única tomada.
Visão instantânea do comportamento do plasma e dos elétrons
Para testar a tecnologia, os pesquisadores examinaram dois tipos de fenômenos ultrarrápidos. Um experimento focou no plasma gerado na água por lasers de femtossegundos. Compreender como esse plasma se forma e evolui pode apoiar aplicações como procedimentos médicos baseados em laser. Os resultados da imagem revelam mudanças de brilho e fase dentro do canal de plasma, incluindo a formação de um plasma denso de elétrons livres que afeta a forma como a luz é absorvida e como ela se propaga através da água.
A equipe também estudou a dinâmica dos portadores no seleneto de zinco para entender melhor como as cargas se movem após serem excitadas pela luz. Esses insights serão 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, podemos ver mudanças de fase relacionadas à dinâmica da portadora, mesmo que a intensidade não mude significativamente”, disse Yao. “Isso destaca uma vantagem importante de nossa abordagem: as medições de fase são mais sensíveis do que as medições de intensidade quando se trata de detectar processos ultrarrápidos sutis.”
Aplicativos expandidos e melhorias futuras
No futuro, os pesquisadores planejam aplicar este método para estudar outros fenômenos, incluindo dinâmica interfacial e transições de fase ultrarrápidas. Estes campos requerem a detecção de mudanças extremamente pequenas na fase da luz, tornando esta nova tecnologia particularmente valiosa.
Atualmente, o CST-CMFI converte informações espectrais em informações temporais, o que limita sua capacidade de estudar processos altamente sensíveis a mudanças espectrais. Para resolver este problema, a equipe pretende combinar CST-CMFI com fotografia ultrarrápida comprimida. A próxima etapa permitirá que informações espectrais e temporais sejam capturadas separadamente, expandindo significativamente a gama de aplicações e aumentando a versatilidade geral da tecnologia.
