La tecnica per generare ad alta intensità, impulsi ottici ultracorti sviluppati dai vincitori del Premio Nobel per la Fisica 2018, Il professor Gérard Mourou e la dottoressa Donna Strickland, fornisce la base per importanti approcci scientifici utilizzati nella ricerca di Swinburne.

ARC Center of Excellence for Future Low Energy Electronics Technologies (FLEET) Chief Investigator presso Swinburne, Professore Associato Jeff Davis, utilizza impulsi laser della durata di pochi quadrilionesimi di secondo per indagare su novità, materiali complessi che potrebbero essere utilizzati nella futura elettronica a basso consumo energetico.

Il campo di studio è la spettroscopia ultraveloce dei "femtosecondi":un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo.

"Questi impulsi di durata estremamente breve sono necessari per misurare l'evoluzione delle particelle subatomiche come gli elettroni, " spiega il Professore Associato Davis.

"Quando vuoi misurare la velocità con cui si muove qualcosa, hai bisogno di una pistola d'avviamento per impostare le cose e qualcosa per fermare il tempo.

"In una gara di 100 metri, questo è semplice perché il tempo impiegato per percorrere 100 metri è lento rispetto alla velocità con cui puoi premere i pulsanti su un cronometro.

"Ma quando vuoi misurare l'evoluzione precisa degli elettroni, che possono cambiare le loro proprietà o il loro stato in femtosecondi, devi essere in grado di avviare e fermare l'orologio molto, più veloce. Usiamo impulsi laser a femtosecondi per raggiungere questo obiettivo".

Swinburne ha la più alta concentrazione di sistemi laser ultraveloci nell'emisfero australe, molti si affidano alla tecnica sviluppata dal Dr. Strickland e dal Professor Mourou. Infatti, Swinburne è stato il primo laboratorio in Australia ad installare uno di questi sistemi laser amplificati, nel 1998, fornire una comprensione fondamentale di nuovi materiali.

Amplificazione a impulsi cinguettii

Lo sviluppo dell'amplificazione dell'impulso cinguettio (CPA) da parte del professor Mourou e del dottor Strickland ha consentito scoperte scientifiche in numerosi campi.

CPA consente di produrre impulsi ad alta energia ogni microsecondo - un milione di impulsi al secondo - il che significa che le misurazioni spettroscopiche possono essere eseguite in un tempo ragionevole, consentendo di acquisire dati sufficienti per ridurre al minimo i livelli di rumore sui segnali deboli.

Ciò consente anche di variare diversi parametri di controllo per costruire un quadro completo dei fattori importanti che influenzano le dinamiche ei meccanismi dello specifico processo di interesse.

L'energia estremamente elevata dell'impulso laser garantisce l'efficienza dei processi non lineari. Ciò consente ai ricercatori di "sintonizzare" la lunghezza d'onda, producendo luce laser attraverso lo spettro elettromagnetico, dal lontano infrarosso, attraverso la luce visibile, raggi ultravioletti e persino raggi X.

Sondare le proprietà e forzare stati temporanei in FLEET

Oltre a sondare materiali nuovi e complessi, questi ad alta energia, impulsi laser ultracorti possono essere utilizzati per controllare le proprietà di questi materiali, e persino spingerli a cambiare stato, diventando nuovi stati quantistici della materia.

"In FLOTTA, stiamo sviluppando modi per cambiare i materiali bidimensionali da banali isolanti a quelli che sono conosciuti come isolanti topologici, e ritorno di nuovo, " spiega il Professore Associato Davis.

Gli isolanti topologici sono uno stato relativamente nuovo della materia, riconosciuto dal Premio Nobel 2016 per la Fisica, che non conducono elettricità attraverso il loro interno, ma piuttosto la corrente elettrica può fluire intorno ai bordi senza resistenza, e quindi senza perdita di energia.

FLEET trarrà vantaggio da questa proprietà unica per sviluppare una nuova generazione di dispositivi elettronici topologici che non sprecano energia quando cambiano.

La tecnologia proposta potrebbe anche cambiare potenzialmente molto più velocemente di quella attuale, elettronica a base di silicio.

"Gli impulsi laser ultraveloci consentono un controllo squisito sulle proprietà del materiale, dandoci il potenziale per una commutazione ultraveloce, ", afferma il Professore Associato Davis.

"Questo controllo squisito e la nostra misurazione ultraveloce della dinamica ci consentiranno di comprendere appieno queste transizioni di fase, permettendoci di ottimizzare il loro controllo nei dispositivi futuri.

"Così, è scienza fondamentale, ma con un'applicazione immediata, " spiega il Professore Associato Davis.

"Questi esperimenti migliorano la nostra comprensione fondamentale delle transizioni di fase topologiche, e usiamo questa conoscenza nelle nostre indagini sulla futura energia ultra-bassa, elettronica basata sulla topologia".