Os pesquisadores criaram uma nova técnica de imagem poderosa que revela muito mais detalhes sobre eventos ultrarrápidos no mundo microscópico do que nunca. Esses processos se desenrolam em escalas de tempo incrivelmente curtas, geralmente em centenas de femtossegundos, e têm sido tradicionalmente difíceis de estudar. A nova abordagem 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 fenómenos importantes ocorrem incrivelmente rápido”, disse o líder da equipa de investigação, Yunhua Yao, 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 grande passo em frente na compreensão da natureza fundamental da matéria, no desenvolvimento de novos materiais e até mesmo na desvendação dos mistérios dos processos biológicos.”
A equipe descreveu seu método em ÓPTICORevista do Optica Publishing Group para pesquisa de alto desempenho. A técnica é conhecida como Compressed Spectral-Temporal Coherent Modulation Femtosecond Imaging (CST-CMFI). Usando este sistema, os pesquisadores conseguiram monitorar a atividade ultrarrápida, como o plasma formado na água após um pulso de laser de femtosegundo, e o comportamento dos portadores de carga excitados no ZnSe.
“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 tempos incrivelmente curtos, o CST-CMFI pode ajudar a melhorar as tecnologias de laser de alta potência usadas para pesquisa de energia limpa, fabricação avançada e equipamentos científicos”, disse Yao. “Isso também poderia levar ao desenvolvimento de eletrônicos mais eficientes, células solares melhoradas e dispositivos mais rápidos, permitindo uma melhor compreensão de como os materiais se comportam em escalas de tempo extremamente rápidas”.
Capturando mais do que brilho em uma foto super rápida
Este trabalho faz parte dos esforços contínuos do Laboratório de Imagens Ópticas Extremas da Universidade Normal do Leste da China para desenvolver tecnologia de câmera ultrarrápida. Um foco principal é a imagem óptica ultrarrápida de disparo único que captura eventos irrepetíveis gravando tudo em uma única exposição, como capturar um único quadro que contém a sequência inteira.
No passado, estes métodos captavam principalmente alterações no brilho, também conhecidas como intensidade da luz. No entanto, a luz também carrega informações de fase, que indicam como ela se curva ou muda de velocidade à medida que passa pelos materiais. Os pesquisadores decidiram capturar a intensidade e a fase ao mesmo tempo, dando uma imagem mais completa dos processos ultrarrápidos.
Para conseguir isso, eles combinaram mapeamento de espectro temporal, mapeamento espectral compressivo e mapeamento de modulação coerente. Cada método oferece vantagens distintas, incluindo a capacidade de monitorar alterações extremamente rápidas, coletar mais dados por medição e preservar detalhes mais precisos da imagem.
Como funciona a técnica CST-CMFI
O sistema usa um pulso de laser que consiste em vários comprimentos de onda que chegam em momentos ligeiramente diferentes. Esta configuração vincula efetivamente o tempo ao comprimento de onda. Quando um pulso interage com um evento que muda rapidamente, a luz espalhada carrega informações espaciais, espectrais e de fase detalhadas. Esta informação é então comprimida em uma única imagem usando uma imagem codificada em dispersão com modulação coerente.
Uma rede neural baseada na 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 formam um filme super-rápido gravado de uma só vez.
Veja o comportamento do plasma e dos elétrons em tempo real
Para testar a técnica, os pesquisadores estudaram 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 mostraram mudanças de brilho e de fase no canal de plasma, incluindo a formação de um plasma denso com elétrons livres que afeta a forma como a luz é absorvida e como ela viaja através da água.
A equipe também estudou a dinâmica dos portadores no ZnSe para entender melhor como as cargas elétricas se movem após serem excitadas pela luz. Ideias semelhantes são importantes para melhorar os dispositivos ópticos e electrónicos feitos a partir deste material, o que poderá levar a tecnologias mais rápidas e eficientes.
“Usando o CST-CMFI, pudemos ver mudanças de fase associadas à dinâmica da portadora, mesmo quando não houve mudanças significativas 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.”
Aprimoramentos de aplicativos e aprimoramentos futuros
Olhando para o futuro, os pesquisadores planejam aplicar o método para estudar fenômenos adicionais, incluindo dinâmica de interface e transições de fase ultrarrápidas. Estas áreas requerem a detecção de mudanças extremamente pequenas na fase da luz, tornando a nova técnica particularmente valiosa.
Atualmente, o CST-CMFI converte informações espectrais em informações temporais, o que limita sua capacidade de investigar processos altamente sensíveis a mudanças espectrais. Para resolver este problema, a equipe pretende combinar CST-CMFI com fotografia compressiva ultrarrápida. Este próximo passo permitirá a aquisição separada de informações espectrais e temporais, expandindo enormemente a gama de aplicações e melhorando a versatilidade geral da tecnologia.
