Laser de femtossegundo

A laser de femtossegundoé um dispositivo gerador de "luz de pulso ultracurto" que emite luz apenas por um tempo ultracurto de cerca de um gigasegundo. Fei é a abreviatura de Femto, o prefixo do Sistema Internacional de Unidades, e 1 femtosegundo = 1×10^-15 segundos. A chamada luz pulsada emite luz apenas por um instante. O tempo de emissão de luz do flash de uma câmera é de cerca de 1 microssegundo, de modo que a luz de pulso ultracurta de femtossegundos emite luz apenas por cerca de um bilionésimo de seu tempo. Como todos sabemos, a velocidade da luz é de 300.000 quilômetros por segundo (7 círculos e meio ao redor da Terra em 1 segundo) a uma velocidade incomparável, mas em 1 femtosegundo, mesmo a luz avança apenas 0,3 mícron.

Muitas vezes, com a fotografia com flash, podemos cortar o estado momentâneo de um objeto em movimento. Da mesma forma, se um laser de femtossegundos for disparado, é possível ver cada fragmento da reação química, mesmo que ocorra em uma velocidade violenta. Para isso, lasers de femtossegundos podem ser usados ​​para estudar o mistério das reações químicas.
As reações químicas gerais são realizadas após passar por um estado intermediário de alta energia, o chamado "estado ativado". A existência de um estado ativado foi teoricamente prevista pelo químico Arrhenius já em 1889, mas não pode ser observada diretamente porque existe por um período muito curto. Mas sua existência foi demonstrada diretamente por lasers de femtossegundos no final da década de 1980, um exemplo de como as reações químicas podem ser identificadas com lasers de femtossegundos. Por exemplo, a molécula de ciclopentanona é decomposta em monóxido de carbono e 2 moléculas de etileno pelo estado ativado.
Os lasers de femtossegundos agora também são usados ​​em uma ampla gama de campos, como física, química, ciências da vida, medicina e engenharia, especialmente em luz e eletrônica. Isso porque a intensidade da luz pode transmitir uma grande quantidade de informações de um lugar para outro quase sem perda, acelerando ainda mais a comunicação óptica. No campo da física nuclear, os lasers de femtossegundos trouxeram um enorme impacto. Como a luz pulsada tem um campo elétrico muito forte, é possível acelerar os elétrons para perto da velocidade da luz em 1 femtosegundo, então ela pode ser usada como um "acelerador" para acelerar os elétrons.

Aplicação em medicina
Como mencionado acima, no mundo dos femtossegundos até a luz é congelada para que não possa viajar muito longe, mas mesmo nessa escala de tempo, átomos, moléculas na matéria e elétrons dentro de chips de computador ainda estão se movendo em circuitos. Se o pulso de femtosegundo puder ser usado para pará-lo instantaneamente, estude o que acontece. Além de piscar o tempo para parar, os lasers de femtossegundos são capazes de fazer pequenos furos em metal tão pequenos quanto 200 nanômetros (2/10.000 de milímetro) de diâmetro. Isso significa que a luz pulsada ultracurta que é comprimida e travada no interior em um curto período de tempo alcança um efeito incrível de saída ultra-alta e não causa danos adicionais ao ambiente. Além disso, a luz pulsada do laser de femtosegundo pode obter imagens estereoscópicas extremamente finas de objetos. A imagem estereoscópica é muito útil no diagnóstico médico, abrindo assim um novo campo de pesquisa chamado tomografia de interferência óptica. Esta é uma imagem estereoscópica de tecido vivo e células vivas tiradas com um laser de femtosegundo. Por exemplo, um pulso de luz muito curto é direcionado para a pele, a luz pulsada é refletida na superfície da pele e uma porção da luz pulsada é injetada na pele. O interior da pele é composto de muitas camadas, e a luz pulsada que entra na pele é refletida como uma pequena luz pulsada, e a estrutura interna da pele pode ser conhecida pelos ecos dessas várias luzes pulsadas na luz refletida.
Além disso, esta tecnologia tem grande utilidade em oftalmologia, capaz de obter imagens estereoscópicas da retina no fundo do olho. Isso permite que os médicos diagnostiquem se há um problema com o tecido. Este tipo de exame não se limita aos olhos. Se um laser é enviado para o corpo com uma fibra óptica, é possível examinar todos os tecidos de vários órgãos do corpo, e pode até ser possível verificar se ele se tornou câncer no futuro.

Implementando um relógio ultrapreciso
Os cientistas acreditam que se umlaser de femtossegundorelógio for feito usando luz visível, será capaz de medir o tempo com mais precisão do que os relógios atômicos e será o relógio mais preciso do mundo nos próximos anos. Se o relógio estiver preciso, a precisão do GPS (Sistema de Posicionamento Global) usado para a navegação do carro também será muito melhorada.
Por que a luz visível pode fazer um relógio preciso? Todos os relógios e relógios são inseparáveis ​​do movimento de um pêndulo e de uma engrenagem, e através da oscilação do pêndulo com uma frequência de vibração precisa, a engrenagem gira por segundos, e um relógio preciso não é exceção. Portanto, para fazer um relógio mais preciso, é necessário usar um pêndulo com uma frequência de vibração mais alta. Os relógios de quartzo (relógios que oscilam com cristais em vez de pêndulos) são mais precisos do que os relógios de pêndulo porque o ressonador de quartzo oscila mais vezes por segundo.
O relógio atômico de césio, que agora é o padrão de tempo, oscila a uma frequência de cerca de 9,2 gigahertz (o prefixo da unidade internacional giga, 1 giga = 10^9). O relógio atômico usa a frequência de oscilação natural dos átomos de césio para substituir o pêndulo por micro-ondas com a mesma frequência de oscilação, e sua precisão é de apenas 1 segundo em dezenas de milhões de anos. Em contraste, a luz visível tem uma frequência de oscilação 100.000 a 1.000.000 vezes maior que a das microondas, ou seja, usando a energia da luz visível para criar um relógio de precisão que é milhões de vezes mais preciso que os relógios atômicos. O relógio mais preciso do mundo usando luz visível já foi construído com sucesso em laboratório.
Com a ajuda deste relógio preciso, a teoria da relatividade de Einstein pode ser verificada. Colocamos um desses relógios precisos no laboratório e o outro no escritório do andar de baixo, considerando o que poderia acontecer, depois de uma ou duas horas, o resultado foi o previsto pela teoria da relatividade de Einstein, devido aos dois "campos gravitacionais" diferentes " entre os andares, os dois relógios não apontam mais para a mesma hora, e o relógio de baixo anda mais devagar que o de cima. Com um relógio mais preciso, talvez até a hora no pulso e no tornozelo fosse diferente naquele dia. Podemos simplesmente experimentar a magia da relatividade com a ajuda de relógios precisos.

Tecnologia de desaceleração da velocidade da luz
Em 1999, o professor Rainer Howe, da Universidade Hubbard, nos Estados Unidos, desacelerou com sucesso a luz para 17 metros por segundo, uma velocidade que um carro pode alcançar, e depois diminuiu com sucesso a um nível que até uma bicicleta pode alcançar. Este experimento envolve a pesquisa mais avançada em física, e este artigo apresenta apenas duas chaves para o sucesso do experimento. Uma delas é construir uma "nuvem" de átomos de sódio a uma temperatura extremamente baixa próxima do zero absoluto (-273,15°C), um estado gasoso especial chamado condensado de Bose-Einstein. O outro é um laser que modula a frequência vibracional (o laser para controle) e irradia com ele uma nuvem de átomos de sódio e, como resultado, coisas incríveis acontecem.
Os cientistas primeiro usam o laser de controle para comprimir a luz pulsada na nuvem de átomos, e a velocidade é extremamente reduzida. Neste momento, o laser de controle é desligado, a luz pulsada desaparece e as informações transportadas na luz pulsada são armazenadas na nuvem de átomos. . Em seguida, é irradiado com um laser de controle, a luz pulsada é recuperada e sai da nuvem de átomos. Assim, o pulso originalmente comprimido é esticado novamente e a velocidade é restaurada. Todo o processo de inserir informações de luz pulsada em uma nuvem atômica é semelhante à leitura, armazenamento e redefinição em um computador, portanto, essa tecnologia é útil para a realização de computadores quânticos.

O mundo de "femtosegundo" para "attosegundo"
Femtossegundosestão além da nossa imaginação. Agora estamos de volta ao mundo dos attossegundos, que são mais curtos que os femtossegundos. A é uma abreviatura para o prefixo SI atto. 1 attosegundo = 1 × 10^-18 segundos = um milésimo de femtosegundo. Pulsos de attossegundos não podem ser feitos com luz visível porque comprimentos de onda mais curtos de luz devem ser usados ​​para encurtar o pulso. Por exemplo, no caso de fazer pulsos com luz vermelha visível, é impossível fazer pulsos mais curtos que esse comprimento de onda. A luz visível tem um limite de cerca de 2 femtossegundos, para os quais os pulsos de attossegundos usam raios-x de comprimento de onda mais curtos ou raios gama. O que será descoberto no futuro usando pulsos de raios-X attossegundos não é claro. Por exemplo, o uso de flashes de attossegundos para visualizar biomoléculas nos permite observar sua atividade em escalas de tempo extremamente curtas e talvez identificar a estrutura das biomoléculas.