Spingere per una velocità maggiore non è solo per gli atleti. Anche i ricercatori possono raggiungere tali risultati con le loro scoperte. Questo è il caso di Jinyang Liang, professore presso l'Institut national de la recherche scientifique (INRS), e del suo team, i cui risultati della ricerca sono stati recentemente pubblicati su Nature Communications .
Il gruppo con sede presso il Centro di ricerca Énergie Matériaux Télécommunications dell'INRS ha sviluppato un nuovo sistema di telecamere ultraveloce in grado di catturare fino a 156,3 trilioni di fotogrammi al secondo con sorprendente precisione. Per la prima volta è possibile l'imaging ottico 2D della smagnetizzazione ultraveloce in un unico scatto.
Questo nuovo dispositivo chiamato SCARF (per la femtofotografia in tempo reale con apertura codificata) può catturare l'assorbimento transitorio in un semiconduttore e la smagnetizzazione ultraveloce di una lega metallica. Questo nuovo metodo contribuirà ad ampliare le frontiere della conoscenza in un'ampia gamma di campi, tra cui la fisica moderna, la biologia, la chimica, la scienza dei materiali e l'ingegneria.
Il professor Liang è conosciuto in tutto il mondo come pioniere dell’imaging ultraveloce. Nel 2018, è stato lo sviluppatore principale di un'importante svolta nel settore, che ha gettato le basi per lo sviluppo di SCARF.
Fino ad ora, i sistemi di telecamere ultraveloci hanno utilizzato principalmente un approccio che prevedeva l’acquisizione sequenziale dei fotogrammi uno per uno. Acquisivano i dati attraverso misurazioni brevi e ripetute, quindi mettevano tutto insieme per creare un filmato che ricostruiva il movimento osservato.
"Tuttavia, questo approccio può essere applicato solo a campioni inerti o a fenomeni che si verificano ogni volta nello stesso modo. Campioni fragili, per non parlare di fenomeni non ripetibili o fenomeni con velocità ultraveloci, non possono essere osservati con questo metodo."
"Ad esempio, fenomeni come l'ablazione laser a femtosecondi, l'interazione delle onde d'urto con le cellule viventi e il caos ottico non possono essere studiati in questo modo", spiega Liang.
Il primo strumento sviluppato dal professor Liang ha contribuito a colmare questa lacuna. Il sistema T-CUP (Trillion-frame-per-second compress ultrafast photography) era basato sull'imaging passivo al femtosecondo in grado di acquisire dieci trilioni (10 13 ) fotogrammi al secondo. Si è trattato di un primo passo importante verso l'imaging ultraveloce in tempo reale a scatto singolo.
Tuttavia le sfide rimanevano ancora.
"Molti sistemi basati sulla fotografia compressa ultraveloce devono far fronte a una qualità dei dati degradata e devono barattare la profondità della sequenza del campo visivo. Queste limitazioni sono attribuibili al principio di funzionamento, che richiede contemporaneamente il taglio della scena e l'apertura codificata," Liang continua.
SCARF supera queste sfide. La sua modalità di imaging consente la scansione ultraveloce di un'apertura codificata statica senza distorcere il fenomeno ultraveloce. Ciò fornisce velocità di codifica dell'intera sequenza fino a 156,3 THz su singoli pixel su una fotocamera con un dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD). Questi risultati possono essere ottenuti in un unico scatto con frame rate e scale spaziali regolabili sia in modalità di riflessione che di trasmissione.
SCARF consente di osservare fenomeni unici, ultraveloci, non ripetibili o difficili da riprodurre, come la meccanica delle onde d'urto nelle cellule viventi o nella materia. Questi progressi potrebbero essere potenzialmente utilizzati per sviluppare prodotti farmaceutici e trattamenti medici migliori.
Inoltre, SCARF promette ricadute economiche molto interessanti. Due società, Axis Photonique e Few-Cycle, stanno già lavorando con il team del professor Liang per produrre una versione commerciabile della loro scoperta in attesa di brevetto. Ciò rappresenta una grande opportunità per il Quebec di rafforzare la sua già invidiabile posizione di leader nel campo della fotonica.
Il lavoro è stato svolto nel laboratorio Advanced Laser Light Source (ALLS) in collaborazione con il professor François Légaré, direttore del Centro di ricerca Énergie Matériaux Télécommunications, e i colleghi internazionali Michel Hehn, Stéphane Mangin e Grégory Malinowski dell'Institut Jean Lamour dell'Université de Lorraine (Francia) e Zhengyan Li dell'Università della Scienza e della Tecnologia di Huazhong (Cina).
Ulteriori informazioni: Jingdan Liu et al, Femtofotografia in tempo reale con apertura codificata, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45820-z
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