คลื่นแสงที่สั้นที่สุดในโลกมาเป็นคู่ และตอนนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมพวกมันได้แล้ว โดย ราหุล ราว | เผยแพร่เมื่อ 8 พ.ย. 2564 8:00 น.
ศาสตร์
ภาพนามธรรมของการโค้งงอของแสง
สเปกโตรสโคปีแบบเรียลไทม์เผยให้เห็นสเปกตรัมของพัลส์แสงเกินขีด Moritz B. Heindl ผ่าน University of Bayreuth
หลอดไฟบนเครื่องฉายภาพยนตร์แบบเก่ากะพริบประมาณ 24 ครั้งต่อวินาที หน้าจอโทรทัศน์ CRT ทั่วไปจะเปลี่ยนเฟรม 50 หรือ 60 ครั้งทุกวินาที กล้องที่เร็วที่สุดในโลกสามารถถ่ายภาพเฟรมที่ใช้เวลาเพียงหนึ่งล้านล้านวินาที ซึ่งสั้นพอที่จะมองเห็นแสงที่ค่อยๆ คืบคลานไปทั่วพื้นผิว
นั่นอาจจะเร็ว แต่ก็ยังไม่มีอะไรถัดจากเลเซอร์
ที่นักฟิสิกส์บางคนจะเล่นด้วย ยินดีต้อนรับสู่โลกของคลื่นแสงเกินขีด: คลื่นแสงเล็กน้อยซึ่งคงอยู่เพียงสี่พันล้านวินาทีหลังจากที่ปล่อยเลเซอร์ที่สร้างพวกมัน
ในช่วงเวลาเหล่านั้น สิ่งแปลกประหลาดเริ่มเกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น พัลส์มักจะโผล่ออกมาเป็นคู่ทีละคู่ ตอนนี้ นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยไบรอยท์และคอนสแตนซ์ในเยอรมนีพบว่าพวกเขาสามารถควบคุมจังหวะของคู่หูเหล่านั้นได้ พวกเขาตีพิมพ์ผลงานเมื่อวันที่ 19 ตุลาคมในวารสารOptica
โดยทั่วไปแล้ว แสงเกินขีดจะต้องอาศัยเลเซอร์ในการผลิตแสงระเบิดที่สั้นมาก (ซึ่งต่างจากลำแสงที่ไม่ขาดซึ่งสร้างขึ้นโดยเลเซอร์ส่วนใหญ่ที่คุณอาจพบ) ตามชื่อเลย พัลส์เหล่านั้นสั้นจริง ๆ พวกมันสั้นพอ ๆ กับเฟมโตวินาทีหรือหนึ่งในสี่ล้านของวินาที ค่าที่สั้นที่สุดบางส่วนได้หายไปเร็วขึ้น—ลดลงเหลือวินาทีเดียว หรือหนึ่งในห้าสิบล้านของวินาที
หากคุณสงสัยว่าทำไมทุกคนถึงกังวล มีบางวิธีที่นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้คลื่นความถี่เกินขีดเพื่อทำงาน การใช้งานที่ได้ผลมากที่สุดวิธีหนึ่งคือสเปกโทรสโกปี: การแยกลำแสงออกเป็นสเปกตรัม ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถดูสีหรือความยาวคลื่นใดที่มีอยู่—หรือขาดหายไป—ซึ่งสามารถบอกพวกเขาเกี่ยวกับวัสดุที่แสงมาจากหรือผ่านได้
[ที่เกี่ยวข้อง: คริสตัลแห่งกาลเวลาคืออะไร และทำไมนักฟิสิกส์ถึงหมกมุ่นอยู่กับพวกมัน? ]
การใช้คลื่นความถี่เกินขีดสำหรับสเปกโตรสโคปีช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเจาะลึกลงไปในระดับความลึกของโมเลกุลและอะตอม หรือเข้าสู่กระบวนการที่เริ่มต้นและสิ้นสุดในเสี้ยวเวลาอันสั้น ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเฝ้าดูปฏิกิริยาเคมีในขณะที่มันเกิดขึ้น ซึ่งเป็นบางสิ่งที่ชนะรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 1999
พัลส์เกินขีดยังสามารถใช้ในการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กมากไมโครมิเตอร์ หรือแม้แต่นาโนเมตร พวกมันถูกใช้ในทางการแพทย์เช่นกันสำหรับการผ่าตัดตาที่มีความแม่นยำสูงและการตีขดลวดขนาดเล็ก
แต่เมื่อเลเซอร์สร้างพัลส์แสงเกินขีด มันมักจะสร้างเป็นคู่ เช่นเดียวกับอะตอมที่ถูกพันธะทางเคมีในโมเลกุล พัลส์ “คู่” เหล่านี้สามารถสั่น สะท้อนกลับไปกลับมา หรือแตกออกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย
“หลายคนที่ทำงานกับเลเซอร์เหล่านี้รู้ว่าสิ่งนี้เกิดขึ้น แต่พวกเขาคิดว่ามันอาจจะเป็นความอยากรู้อยากเห็นที่แปลก” ผู้เขียนศึกษาGeorg Herinkนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Bayreuth กล่าว “บริษัทพยายามหลีกเลี่ยงโหมดการทำงานนี้ พวกเขาต้องการมีชีพจรที่สะอาดเพียงครั้งเดียว”
แต่คุณสมบัติเฉพาะของพัลส์คู่เหล่านี้ทำให้นักฟิสิกส์
เชิงทฤษฎีสนใจมาระยะหนึ่งแล้ว พวกเขาสงสัยว่าพวกเขาสามารถควบคุมการมีเพศสัมพันธ์ได้หรือไม่ ดังนั้น Herink และเพื่อนร่วมงานของเขาจึงสร้างวงแหวนขึ้น ซึ่งทำจากใยแก้วนำแสงเหมือนกับที่เชื่อมอินเทอร์เน็ตเข้าด้วยกัน และเริ่มยิงแสงจากเลเซอร์ผ่านวงแหวน ชีพจรของแสงหมุนไปรอบๆ โดยที่นักวิจัยสามารถมองดูพวกมันโคจรอยู่ได้
ก่อนหน้านี้ ช่วงเวลาสั้น ๆ ที่เกี่ยวข้องหมายความว่าการดูพัลส์คู่อย่างใกล้ชิดไม่สามารถทำได้จริงๆ แต่วิธีการสเปกโทรสโกปีใหม่ได้เปลี่ยนแปลงสิ่งนั้น “เราสามารถดูพัลส์เหล่านี้ได้ในทุกการเดินทางไปกลับที่พวกเขาทำในเลเซอร์นี้…และด้วยเหตุนี้ เราจึงสามารถได้รับข้อมูลเชิงลึกแบบเรียลไทม์เกี่ยวกับไดนามิกเหล่านี้ที่ไม่เคยทำมาก่อน” เฮริงค์กล่าว
ด้วยสิ่งนี้ในกล่องเครื่องมือ พวกเขาสามารถหันไปหาเลเซอร์เองและดูว่าเหตุใดจึงทำงานผิดปกติ พวกเขาพบว่าโดยการลดกำลังของเลเซอร์ลงในช่วงเวลาสั้นๆ พวกเขาสามารถทำลายพันธะและถอดสองพัลส์ออกได้ จากนั้น โดยการสถาปนาพลังขึ้นใหม่ พวกเขาสามารถรวมพัลส์เข้าด้วยกันอีกครั้ง โดยแยกจากกันในอวกาศและเวลา
ตอนนี้ Herink กล่าวว่า “คุณสามารถคาดเดาตำแหน่งที่คุณมีชีพจรของคุณและจากนั้นคุณสามารถควบคุมการแยกของชีพจรได้”
Herink กล่าวว่าเขาและเพื่อนร่วมงานหวังว่าจะต่อยอดจากงานนี้เพื่อสร้างระบบที่ช่วยให้พวกเขากำหนดลำดับของเลเซอร์พัลส์สั้นได้ วิธีการที่นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันใช้ในการทำเช่นนั้นอาจค่อนข้างช้า—กินเวลาทั้งหมดล้านวินาที เมื่อถึงเวลานั้น อะตอมที่คุณต้องการวัดอาจหายไปแล้ว การทำให้เลเซอร์ทำงานแทนจะมีประสิทธิภาพมากกว่ามาก Henrick กล่าว
ยังไม่แน่ใจว่าผู้ใช้ ultrashort-pulse-user จะพบว่าใช้ความสามารถนี้หรือไม่ Andrew Weinerวิศวกรไฟฟ้าจากมหาวิทยาลัย Purdue ในรัฐอินเดียนากล่าวว่า “มุมมองของฉันเองคือสิ่งที่เลเซอร์เหล่านี้ใช้ได้ดีจริง ๆ คือการสร้างชีพจรเพียงครั้งเดียว” กล่าว “คุณต้องการทำให้สิ่งนั้นสะอาดที่สุด ดังนั้นฉันคิดว่าในแอปพลิเคชันส่วนใหญ่ คุณอาจไม่ต้องการทำเช่นนี้”
แต่แม้ว่าการใช้งานส่วนใหญ่จะไม่ต้องการพัลส์คู่ การรู้วิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังสามารถช่วยประดิษฐ์เลเซอร์ได้ดีขึ้น “ฉันคิดว่าการศึกษารายละเอียดนั้นน่าสนใจ เพื่อทำความเข้าใจฟิสิกส์จริงๆ” ไวน์เนอร์กล่าว
“ผลกระทบทั้งหมดเหล่านี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจทั้งหมด” เฮริงก์กล่าว
