Per catturare un'azione in rapido movimento in un ambiente scarsamente illuminato, un fotografo utilizzerà la combinazione di una velocità dell'otturatore elevata e una rapida esplosione di luce.

I fisici laser utilizzano lo stesso principio:catturare un evento microscopico di breve durata colpendolo con un rapido impulso di luce infrarossa. Certo, mentre l'azione che un fotografo sta cercando di catturare potrebbe durare un centesimo di secondo o due, la finestra di opportunità del fisico potrebbe durare alcuni femtosecondi (quadrillionesimi di secondo).

Ma per rendere un impulso di luce sufficientemente breve da catturare ciò che un fisico potrebbe voler vedere, diciamo, l'effetto della vibrazione indotta dalla luce su una molecola nella retina:è necessaria una sorgente luminosa che produca un'ampia gamma di frequenze. E un gruppo guidato da Jeffrey Moses, professore assistente di fisica applicata e ingegneria, ha sviluppato un processo per generare e modellare intensi impulsi di luce nel medio infrarosso (mid-IR).

"Abbiamo la capacità di creare questa sorgente a banda larga di luce mid-IR che è intensa, e abbiamo la capacità di modellarlo con precisione, " disse Mosè, il cui gruppo ha pubblicato un articolo in Fotonica della natura , "Generazione e modellazione multi-ottava di impulsi a ciclo singolo intensi nel medio infrarosso, "20 marzo.

Peter Krogen, dottorato di ricerca '16, ora ricercatore associato presso il Massachusetts Institute of Technology, è l'autore principale. Altri contributori includevano il dottorando Noah Flemens, un membro del gruppo Moses.

Le lunghezze d'onda del medio IR sono di particolare importanza per gli scienziati dei materiali, chimici, biologi e fisici della materia condensata. Recentemente, l'avvento delle sorgenti a medio infrarosso ad alta energia di impulso e di durata ultracorta ha inaugurato una nuova gamma di interazioni luce-materia non lineari, e stabilire sorgenti mid-IR che dispongono non solo di una larghezza di banda estrema, ma anche un controllo arbitrario della forma dell'impulso, è di grande interesse.

Un metodo per analizzare i fenomeni di breve durata è la spettroscopia pump-probe. Il primo raggio di luce laser funge da "pompa, "per generare una reazione voluta in un materiale, e la seconda è la "sonda, " usato per analizzare la reazione.

Per creare impulsi di luce sufficientemente brevi da catturare questi eventi, la luce deve contenere un'ampia gamma di frequenze all'interno dello spettro IR. "Più frequenze ho, più breve è un impulso che posso fare, " disse Mosè.

Il problema, però, è che nel plasmare la luce per uno scopo specifico, perdi larghezza di banda. Per superare quel problema, Moses e il suo gruppo hanno sviluppato un modo per creare e modellare una banda larga, impulso di luce vicino all'infrarosso e cambia il suo "colore" (frequenza d'onda) in medio infrarosso mantenendo la sua larghezza di banda e forma. Infatti, la larghezza di banda relativa dell'onda nel vicino infrarosso - una misura di quanto breve può essere fatto un impulso rispetto alla più piccola durata ottenibile a quel colore - viene effettivamente aumentata quando convertita in un'onda nel medio infrarosso.

Il risultato:impulsi della durata di un solo ciclo del periodo d'onda, che è molto vicino al minimo consentito dalla natura.

"Quando attraversiamo questo processo, abbiamo una larghezza di banda nel vicino infrarosso inferiore a un'ottava, "Mosè disse:"e finiamo con la larghezza di banda nel medio IR che è più di un'ottava." Nelle lunghezze d'onda, un'ottava è lo spread tra una frequenza e il doppio di quella frequenza.

Una particolare applicazione di interesse per il gruppo è il monitoraggio del modo in cui l'energia degli elettroni scorre in un sistema, come la visione umana. Le molecole di rodopsina nella retina assorbono la luce e poi cambiano forma – da piegate a dritte – ed è questo raddrizzamento che serve a inviare un segnale al cervello attraverso il nervo ottico.

"Il cambiamento nella configurazione elettronica di queste molecole avviene nell'arco di decine di femtosecondi, " ha detto Moses. "Pensiamo di avere la giusta fonte di luce qui per ottenere molte più informazioni su ciò che sta accadendo durante quel periodo di tempo ultra breve".

E cosa possono dire queste informazioni a uno scienziato? Per una cosa, quel processo è molto efficiente negli esseri umani, ma ci sono altri processi biologici simili – che i teorici ritengono regolati da un simile tipo di struttura – che sono altamente inefficienti.

"Utilizzando questo strumento, stiamo cercando di sviluppare un metodo per studiare questo tipo di classe di strutture che è responsabile del modo in cui le molecole rispondono alla luce, "Mosè ha detto. "Questo potrebbe aiutarci a capire qualcosa che stiamo fabbricando e aiutarci a fare tutto ciò che fa in modo più efficiente".