ストリークカメラ革新、フェムト秒以下の動作を捉える

September, 5, 2023, West Lafayette--パデュー大学のエンジニアは、学界や産業界の科学者が従来のテクノロジーよりも優れた超高速アクションを記録するために使用できる特許出願中のツールを開発している。

従来のストリークカメラとその欠点
従来の電子ベースのストリークカメラは、わずかピコ秒、つまり1兆分の1秒続く現象を記録するために不可欠。科学者は、光を電子に変換し、検出器を横切って「ストリーキング」して画像を形成することによってこれらのカメラを開発した、とパデュー大学のエルモアファミリー電気コンピュータ工学部のポスドク研究員、Colton Fruhlingは説明している。

「電子はホースから出てくる水のようなもので、検出器は乾いた舗装のようなものだと考えてみる。人がホースをすばやく横に引っ張ると、ホースが動く前の水はまっすぐ進み続ける。モーション中に出てくる水は横に移動する。このようにして、異なる時間にホースから出てくる水は、舗装上の異なる位置に着地する」。

「誰かが本当に速く何かを測定したい場合、たとえば、人が水を手でスライスする場合、科学者は水が当たっていない舗装を見て、その長さを測定し、手がどれだけ速く動いていたかを把握できる」

しかし、今日最速の電子回路を使用する従来の電子ベースのストリークカメラには欠点がある。Fruhlingによると、最大のものは限られた時間分解能である。

「100フェムト秒(fs)以下で発生するプロセスがいくつかある。しかし、今日の商用電子ベースのストリークカメラの分解能はは、600～800fsしかない。フェムト秒、アト秒、あるいはクインティリオン/秒さえ明らかになっていない物理学の全世界がある」

従来のストリークカメラの改善
Fruhlingによると、Purdueのストリークカメラは全光学機構を使用しており、プロセスを10,000〜100,000倍高速化することができる。この研究は、BobとAnn Burnettの電気およびコンピューター工学名誉教授、Vladimir M. Shalaevがリーダー。

特許出願中のPurdueイノベーションは、イプシロンニアゼロ材料と呼ばれる材料を使用している。

「二次光パルスは、その光学特性を変化させる。これは、この方法が完全に光学的であり、従来のストリークカメラで使用されている電子回路によって制限されないことを意味する」(Fruhling)。

「この技術は、原子遷移のような超高速プロセスを研究したい物理学者やエンジニア、反応における電荷移動を研究したい化学者、タンパク質の折り畳みを研究したい生物学者によって利用される可能性がある。また、次世代コンピュータチップの電荷ダイナミクスを研究したい企業も使用できる」

Fruhlingによると、研究チームはデバイスの各コンポーネントを作成し、それらを個別にテストした。

「われわれは、光学特性が約100fsで劇的に変化する可能性があることを示した。実験結果から、得られるストリーキング性能を結果としてのストリーキングパフォーマンスを5アト秒程度、10000倍高速であるとシミュレートできる。これらのテストはシミュレーションであり、最終的な実験は設計段階である」(Fruhling)。

ストリークカメラの革新は、知的財産に関する特許を申請したパデュー革新技術商業化局に開示された。
(詳細は、https://www.purdue.edu/)