諾貝爾獎物理學家對於超快激光物理關鍵技術的研究

斯威本科技大學擁有南半球最高集中度的超快激光系統。圖片來源：斯威本科技大學。

由2018年諾貝爾物理學獎得主Gérard Mourou教授和Donna Strickland博士開發的產生高強度、超短光脈衝的技術，為斯威本科技大學研究重要科學方法提供了基礎。

斯威本科技大學未來低能電子技術卓越研究中心（FLEET）的首席研究員，副教授Jeff Davis，使用僅幾千兆分之一秒的激光脈衝，研究可用於未來低能電工的新型複雜材料的電子學。

研究領域是超快的飛秒光譜—一個飛秒為十億分之一秒。

「這些極短的脈衝對於測量亞原子粒子（如電子）的演化是必需的，」 Davis副教授解釋道。

「當你想要測量物體移動的速度時，你需要一個啟動器的電子槍來啟動物體，並利用另外的一些東西來停止時鐘。」

「在100米賽跑中，這是直截了當的，因為與按秒錶上的按鈕的速度相比，跑100米所花的時間比較慢。」

「但是，如果你想測量電子的精確演化，它要以飛秒為單位來改變它們的性質或狀態，你需要能夠更快地啟動和停止測量時鐘。我們用飛秒激光脈衝來實現這個目標。」

斯威本科技大學擁有南半球最高集中度的超快激光系統，許多都依賴於Strickland博士和Mourou教授開發的技術。事實上，早在1998年，斯威本科技大學的實驗室就是澳大利亞第一個安裝這些放大激光系統的實驗室，用於研究新材料的基本性質。

啁啾脈衝放大

Mourou教授和Strickland博士對啁啾脈衝放大（CPA）技術的開發使許多領域的科學發現成為可能。

啁啾脈衝放大允許每微秒產生高能脈衝——每秒產生100萬個脈衝——這意味著可以在合理的時間內進行光譜測量，允許獲取足夠的數據以將微弱信號上的雜訊水平降到最低。

這也使得研究人員可以改變不同的控制參數，以建立對所關注的特定過程的動力學和機制等重要因素的一個全面了解。

激光脈衝的極高能量保證了非線性過程是有效的。這允許研究人員「調諧」波長，產生跨越電磁光譜的激光，從遠紅外線，到可見光，到紫外線，甚至X射線。

FLEET實現物質特性與強迫性臨時狀態的探測研究

這些高能量、超短激光脈衝不僅可以探測新型的複合材料，還可以用來控制這些材料的性能，甚至驅動它們改變狀態，成為新的物質量子態。

「在FLEET中，我們正在開發將二維材料從微不足道的絕緣體轉變為拓撲絕緣體的方法，然後再次轉變回來，」 Davis副教授解釋道。

拓撲絕緣體是一種相對較新的物質狀態，被2016年諾貝爾物理學獎認可，它不通過內部傳導電，而是電流可以繞著邊緣流動，沒有電阻，因此沒有能量損失。

FLEET的研究人員將利用這種獨特的特性來開發新一代的拓撲電子設備，這些電子設備在切換時不會浪費能量。

所提出的技術也可能比現有的基於硅的電子器件更快地切換。

Davis副教授說：「超快激光脈衝可以精細地控制材料的特性，具有給我們提供超快開關的潛力。」

「這種精細的控制和我們超快的動力學測量將使我們能夠充分理解這些相變，使我們能夠優化它們在未來設備中的特性的控制。」

「所以，這是一種基礎性科學，但有一個直接的應用，」副教授Davis解釋說。

「這些實驗增強了我們對拓撲相變的基本理解，並且我們在未來超低能量、基於拓撲的電子產品的研究中使用了這些知識。」

來源：https://phys.org/news/2018-10-nobel-winning-physics-key-ultra-fast-laser.html

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