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与光共舞科学家挑战光学应用新极限

发布时间:2019-10-13 01:08:18 编辑:笔名

与光共舞 科学家挑战光学应用新极限 数十个纳米之内相当于激光波长的1/10。挤压后的光波比激光的传播速度慢得多,因此可以保持同样的频率

。 在上世纪90年代末,Berini一边寻找改善普通电器元件和检光器的方法,一边研究等离子体。光比电子信号传播快得多,因为用它连接硅片可以大幅提高运算速度。但是光却受到了其波长的限制:尽管电子元件可以缩小到数十个纳米,电子通信中使用的红外光却不能集中到直径小于1微米的点上。这是根本上的不相容。Berini说。由等离子体技术获得的波长更短的等离子体波看起来很有前景,但是它们经常不听话。因为金属有电阻,由电子运动产生的光波很快就会消失,仅能传播几微米

。 Berini利用可以精巧地制作出纳米结构,并且越来越便宜的现成技术,创造了个可以传播数厘米的等离子体波。他的实验室设计了整套电路,使等离子体振子沿着厚度低于30纳米的金属带运行

。 但是让等离子体波传播得更远就要增加光的波长。尽管等离子体波比常规光波更小,但这一折衷却降低了它们的优势,而且Berini发现它很难打破电子通信行业的现状,该行业使用的每个电子元件已经使用了数十年。因此,他和其他科学家忙于研发其他技术,以应对新光源波长较短的问题,即通过将其扩展至应用领域,利用光探测器等把新光源的劣势变成优势;或者采用纳米结构扩大等离子波。物理学家现正在利用各种材料研发各种纳米形状,如星星、木棒以及新月等,这些材料可以把等离子体波用于捕获太阳能、杀死癌细胞以及制造集成芯片的激光器等。 渥太华大学物理学家Henry Schriemer称Berini是一位重视理论研究的典型的实验主义者。但是Berini表示,正是应用前景推动他的实验室运行;他把自己的创业决心归为遗传自父母的特性,他的父母在安大略省经营着自己的采矿和伐木生意

。 超快光 Margaret Murnane是在美国科罗拉多州JLLA工作的一位物理学家,这是一个由科罗拉多州立大学和国家标准技术局联合成立的机构。Murnane和丈夫Henry Kapteyn在那里运行着阿秒(秒)X射线激光脉冲研究实验室,这种超短激光脉冲的每次闪光时间仅有十亿分之一秒的十亿分之一。 这种超快X光波长极短,但能量很高,经常被用于潜入原子深处并在纳米级层面进行成像。通常,这种应用发生在数十亿美元的、通过把电子加速至光速从而产生X光的装置中,如加利福尼亚州的直线性连续加速器光源SLAC装置。但Murnane的方法却可以让这一技术呈现在餐桌上。这让科学家可以观察到原子周围的电子的运动状态,从而了解其化学键或是研究其在磁性硬盘中的旋转情况。 Kapteyn表示,Murnane的成功来自于她对知识的渴求。尽管童年时期,Murnane家中既没有中央空调,也没有室内水管,但凭借对知识和学习的热爱,她取得了今天的成就

。Murnane在加州大学伯克利分校读研究生期间遇见Kapteyn,从此两人一直在一起工作,且彼此之间已建立了深厚的伙伴关系,Murnane认为,这是他们在科研上取得成功的基础。身边有人不断挑战你的观点非常有益,这种关系有利于科学研究。她说。 两人一起解决了他们在研究生期间一开始就试图解决的问题如何产生类似于激光的高能光束。和大型科学装置进行电子加速的过程不同,他们的策略是把可见光的很多光子合成高能X射线光子。这一过程与声波类似。在带弦的乐器中,轻轻地波动一根弦会发出单一的声调。一个人拨弦的力度越大,就会出现更多的高次谐波。Murnane解释说,每次产生的谐波会根据初始的频率呈更大整数倍增加。 当超短激光脉冲在上世纪90年代被发现后,Murnane 和Kapteyn意识到,他们或许可以利用其剧烈地拨动电子使其加速离开或靠近氦原子,从而产生高能光子谐波

。他们的研究团队利用明亮的紫外线光束取得了成功,但是当让光束保持激光的特点时,由于光波同步出现,很难增加能量。 Murnane表示,他们的研究尚未到达极限更高能量的X光,甚至是更快的飞秒( 秒)脉冲也有可能实现。科学领域的错误概念之一是,一些时候认为激光已经是一种过时的技术,没什么新东西再值得研究。她说,这绝非事实。(鲁捷) 《中国科学报》 ( 第3版 国际) 更多阅读 《自然》相关报道(英文)

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