Notkun Femtosecond Lasers

Femtósekúndu leysir eru tæki sem mynda „ofur stutt púlsljós“ sem gefa frá sér ljós í mjög stuttan tíma sem er aðeins um einn gígabit úr sekúndu. Femto er skammstöfun alþjóðlega einingakerfisins femto (femto), 1 femtósekúnda=1 × 10^-15 sekúndur. Hið svokallaða púlsljós er aðeins í augnabliki til að losa ljós. Ljósgeislunartími flass myndavélarinnar er um 1 míkrósekúnda, þannig að ofurstuttur púls femtósekúnduljóss er aðeins um einn milljarður af tíma sínum til að losa ljós. Eins og við vitum öll er ljóshraði 300,000 kílómetrar á sekúndu (7 og hálf vika umhverfis jörðina á 1 sekúndu) óviðjafnanlegur hraði, en á 1 femtósekúndu er jafnt ljós aðeins 0,3 míkron áfram.
Venjulega notum við flassljósmyndun til að geta klippt augnabliksástand hlutarins sem hreyfist. Á sama hátt er hægt að sjá hvert brot af efnahvörfum sem eiga sér stað á ofsafengnum hraða með femtósekúndu leysiflass. Af þessum sökum er hægt að nota femtósekúndu leysira til að rannsaka leyndardóm efnahvarfa.
Efnahvörf eiga sér almennt stað eftir millistig háorku, svokallað „virkjað ástand“. Tilvist virkjunarástandsins var spáð fræðilega fyrir um af efnafræðingnum Arrhenius árið 1889, en ekki var hægt að fylgjast með því beint vegna þess að það var til á mjög stuttum tíma. Hins vegar var tilvist þess beint sýnd með femtósekúndu leysir seint á níunda áratugnum, og þetta er dæmi um efnahvörf sem auðkennd er með femtósekúndu leysir. Til dæmis, niðurbrot sýklópentanón sameindar í kolmónoxíð og tvær etýlen sameindir í virkjaðri stöðu.
Nú á dögum eru femtósekúndu leysir einnig notaðir á fjölmörgum sviðum eins og eðlisfræði, efnafræði, lífvísindum, læknisfræði, verkfræði o.fl. Einkum haldast ljós og rafeindatækni í hendur og er búist við að þau opni alls kyns nýja möguleika í sviði samskipta eða tölvur og orku. Þetta er vegna þess að ljósstyrkur getur sent mikið magn upplýsinga frá einum stað til annars nánast án taps, sem gerir sjónsamskipti enn frekar háhraða. Á sviði kjarnaeðlisfræði hafa femtósekúndu leysir haft mikil áhrif. Vegna þess að púlsljós hefur mjög sterkt rafsvið er hægt að flýta rafeindum nálægt ljóshraða á 1 femtósekúndu og því hægt að nota það sem "gaspedal" til að flýta rafeindum.
Læknisfræðileg forrit
Eins og fram hefur komið hér að ofan er heimurinn svo frosinn á femtósekúndum að jafnvel ljós getur ekki færst mjög langt, en jafnvel á þessum tímaskala eru frumeindir og sameindir í efni og rafeindir í hringrásum innan tölvukubba enn á hreyfingu. Ef þú notar femtósekúndupúlsa geturðu látið það hætta samstundis og rannsaka hvað er að gerast. Til viðbótar við blikka sem stöðva tímann, eru femtósekúndu leysir færir um að bora smásæ göt í málm allt að 200 nanómetrum (tvö þúsundustu úr millimetra) í þvermál. Þetta þýðir að örstuttu ljóspúlsarnir sem eru þjappaðir og læstir inni í stuttan tíma fá ótrúlega mikla útkomu án þess að auka skaða á umhverfinu. Ennfremur er púlsljósið frá femtósekúndu leysinum fært um að taka mjög fínar steríómyndir af myndefninu. Staðaljósmyndataka nýtist vel við læknisfræðilega greiningu og opnar þannig nýtt rannsóknarsvið sem kallast sjóntruflasneiðmynd. Þetta er notkun femtósekúndu leysigeisla til að taka steríósópískar myndir af lifandi vefjum og frumum. Til dæmis er mjög stuttur ljóspúlsi beint að húðinni og púlsljósið endurkastast á yfirborð húðarinnar, þar sem eitthvað af púlsljósinu er beint inn í húðina. Húðin er að innan samanstendur af mörgum lögum og púlsljósið sem skotið er inn í húðina endurkastast sem litlir púlsar og út frá bergmáli þessara mótuðu púlsljósa í endurkasta ljósinu er hægt að þekkja innri uppbyggingu húðin.
Auk þess nýtist þessi tækni mjög vel í augnlækningum þar sem hægt er að taka steríósópískar myndir af sjónhimnu djúpt inni í auganu. Læknar geta þannig greint hvort vandamál sé með vefjum þess. Þessi skoðun einskorðast ekki við augun en ef leysirinn er sendur inn í líkamann með ljósleiðara er hægt að skoða alla vefi ýmissa líffæra líkamans og í framtíðinni gæti jafnvel verið hægt að athuga hvort þeir séu orðnir krabbameinsvaldandi.
Náðu ofurnákvæmri klukku
Vísindamenn telja að ef klukka með femtósekúndu leysir er gerð með sýnilegu ljósi muni hún geta mælt tímann nákvæmari en atómklukka og mun þjóna sem nákvæmasta klukka heims á næstu árum. Ef klukkan er nákvæm, þá bætir hún einnig til muna nákvæmni GPS (Global Positioning System) sem notað er fyrir bílaleiðsögu.
Af hverju getur sýnilegt ljós búið til nákvæmar klukkur? Allar klukkur og úr eru ekki með pendúl og gír fyrir hreyfingu, í gegnum sveiflu pendúlsins með nákvæmri tíðni titrings, þannig að gírin snúast um sekúndur, nákvæmar klukkur eru engin undantekning. Þess vegna, til að búa til nákvæmari klukkur, er nauðsynlegt að nota pendúl með hærri tíðni titrings. Kvartsklukkur (klukkur með kristalsveiflu í stað pendúla) eru nákvæmari en pendúlklukkur og það er vegna þess að kvarsómar sveiflast oftar á sekúndu.
Sveiflutíðni sesíum atómklukkunnar, sem nú er tímastaðall, er um 9,2 gígahertz (orðið höfuð alþjóðlegu einingarinnar giga, 1 gig=10^9). Atómklukka er notkun sesíumatóma sem felst í sveiflutíðni, þar sem sveiflutíðni hennar er í samræmi við örbylgjuofninn í stað pendúlsins, nákvæmni hennar er tugir milljóna ára aðeins 1 sekúndu munur. Aftur á móti hefur sýnilegt ljós sveiflutíðni sem er 100,000 til 1 milljón sinnum hærri en örbylgjusveiflutíðnin, það er hægt að nota sýnilegt ljós til að búa til nákvæmnisklukkur með milljón sinnum meiri nákvæmni en atómklukkur. Nú hefur nákvæmasta klukka heims sem notar sýnilegt ljós verið smíðuð á rannsóknarstofunni.
Með hjálp þessarar nákvæmu klukku er hægt að sannreyna afstæðiskenningu Einsteins. Við munum vera svo nákvæm klukka á rannsóknarstofunni, hin á skrifstofunni niðri, íhuga hugsanlegar aðstæður, eftir einn eða tvo tíma, niðurstöðurnar eins og spáð er af afstæðiskenningu Einsteins, vegna þess að lögin tvö hafa mismunandi "þyngdarsvið" á milli klukkanna tveggja benda ekki lengur á sama tíma, klukkan niðri en klukkan uppi Klukkan niðri hreyfist hægar en klukkan uppi. Með nákvæmari klukku myndi jafnvel úrið á úlnliðnum og ökklanum ekki hafa sama tíma þann daginn. Við getum einfaldlega upplifað hrifningu afstæðiskenningarinnar með hjálp nákvæmra klukka.
Ljós hægja á tækni
Árið 1999 tókst prófessor Rainer Howe við Hubbart háskólann í Bandaríkjunum að hægja á ljósi niður í 17 metra á sekúndu, hraða sem bíll gat náð og síðar í hraða sem jafnvel reiðhjól náði. Þessi tilraun felur í sér rannsóknir í fremstu röð í eðlisfræði og í þessari grein eru aðeins tveir lyklar að árangri tilraunarinnar kynntir. Eitt er bygging "ský" af natríumatómum við mjög lágt hitastig nálægt algeru núlli (-273.15 gráður ), sérstakt gasástand sem kallast Bose-Einstein þéttivatn. Hinn er leysir (stjórnleysir) sem stjórnar tíðni titrings og geislar með honum natríumatómaskýið með þeim afleiðingum að eitthvað ótrúlegt gerist.
Í fyrsta lagi, með hjálp stjórnleysisins, var púlsljósinu þjappað saman í atómskýið og hægt á því niður í mikinn hraða. Þá er stjórnleysirinn lýst aftur og púlsljósið er endurheimt og kemur út úr atómskýinu. Púlsarnir sem voru þjappaðir eru síðan breikkaðir aftur og hraðinn er endurheimtur. Allt ferlið við að setja púlsljósupplýsingarnar inn í atómskýið er svipað og að lesa, geyma og endurstilla í tölvu, þannig að þessi tækni er gagnleg við útfærslu skammtatölva.
Frá "femtosecond" til "attosecond" heimi
Femtósekúndur eru nú þegar ofar ímyndunarafl okkar. Nú erum við að fara út í heim "attosecond" sem er jafnvel styttri en femtosecond. A er skammstöfun alþjóðlega einingakerfisins (SI) orðsins atto. 1 attósekúnda=1 x 10^-18 sekúndur=1 þúsundasta úr femtósekúndu. Ekki er hægt að búa til attósekúndu púls með sýnilegu ljósi vegna þess að styttri púlsar verða að vera með styttri bylgjulengdum ljóss. Til dæmis, ef þú vilt búa til púls með rauðu sýnilegu ljósi, þá er ekki hægt að búa til púls með styttri bylgjulengd en það. Sýnilegt ljós er um það bil 2 femtósekúndur og þess vegna eru attósekúndupúlsarnir búnir til með styttri bylgjulengdum röntgengeisla eða gammageisla. Ekki er ljóst hvað hægt er að finna í framtíðinni með því að nota attosecond röntgenpúls. Til dæmis, með því að nota attosecond inter-flash til að sjá lífsameind, er hægt að fylgjast með virkni hennar á mjög stuttum tímakvarða og ef til vill bera kennsl á uppbyggingu lífsameindarinnar.