În prima jumătate a sec. 20, când faimosul Harold „Doc” Edgerton de la MIT îşi perfecţiona sistemul de captură a evenimentelor în mişcare rapidă pe film, abilitatea de a observa schimbări care se petrec la scara microsecundelor era considerată remarcabilă.
Acel tip de sistem a condus la imagini în prezent faimoase, precum cea a unui glonte ce trece printr-un măr surprins în timpul traversării.
În prezent imaginile la rezoluţii de microsecunde sunt aproape banale. Cercetarea a depăşit nanosecundele (miliardimi de secundă) şi picosecundele (trilionimi) în anii ’70 şi ’80. Astăzi cercetătorii pot ajunge cu uşurinţă în tărâmul femtosecundelor – catralionimi (sau milionimi de miliardimi) de secundă, scara de timp pentru mişcarea din interiorul moleculelor.
Cercetarea cu laser la scară de femtosecunde a condus la dezvoltarea, în 2000, a unui sistem care a revoluţionat măsurarea frecvenţelor optice şi a permis construirea ceasurilor optice. Prin continuarea progresului, tehnologiile de top de astăzi încep să facă posibilă observarea evenimentelor care durează mai puţin de 100 de attosecunde, sau cvintilionimi de secundă.
Aceste prefixe, micro, nano, pico, femto şi atto – sunt parte a unui sistem de măsură convenit la nivel internaţional şi denumit chiar astfel - Sistemul Internaţional de unităţi (din francezul Système International d'Unités sau International System of Units). Sistemul a fost adoptat oficial în 1960 şi a fost revizuit periodic, cel mai recent în 1991. Cuprinde 20 de prefixe în total, 10 dintre ele pentru mărimi zecimale şi încă 10 pentru multipli ai mărimilor de bază (mega, giga, tera ş.a.m.d.).
Descoperirea tehnologică de bază care a făcut posibilă observarea schimbărilor la scări de timp atât de mici a fost ceva numit sistem laser cu pulsuri, explică profesorul adjunct de inginerie electrică de la MIT Franz Kaertner, care este specializat în asemenea dispozitive. Tehnologia a fost iniţiată de Erich Ippen şi Herman Haus în Laboratorul de Cercetare Electronică de la MIT. „Erich şi Chuck Shank, care lucrau în acea vreme la Laboratoarele Bell, au fost primii care au produs pulsuri de femtosecundă, ce era foarte dificil de creat atunci şi sunt o rutină astăzi”, spune Kaertner. Haus a dezvoltat teoria care explica cum funcţionau de fapt aceste sisteme.
Posibilitatea de a observa evenimente la asemenea scări de timp este importantă pentru fizica elementară - pentru a înţelege cum se mişcă atomii în molecule – precum şi pentru dispozitivele inginereşti cu semiconductori şi pentru înţelegerea proceselor biologice de bază la nivel molecular.
Dar fizicienii şi inginerii sunt interesaţi de a împinge aceste limite şi mai departe. Pentru a înţelege mişcarea electronilor şi eventual aceea a particulelor subatomice, este necesară atingerea plajei de attosecunde şi în final zeptosecunde (sextililonimi de secundă), spune Kaertner. Pentru a realiza acest lucru, avansul tehnologic trebuie să permită producerea pulsurilor folosind surse de lungime de undă mai ridicate şi producerea pulsurilor care cuprind o plajă de frecvenţe mai extinsă – o sursă de bandă largă.
Până acum, spune Kaertner, „cel mai scurt puls care a fost măsurat este de 80 de attosecunde.” Dar diverse grupuri lucrează pentru a împinge limitele şi mai departe, spune el, folosind câteva metode diferite, incluzând acceleratoare de electroni de scară largă precum Standford Linear Accelerator.
Pulsurile de raze X de mare energie cu duraţii de femtosecunde pot face posibilă obţinerea imaginilor detaliate, în final a filmelor, a dinamicii complexelor de molecule din cadrul proteinelor, spune Kaertner – ceva ce nu se poate realiza cu tehnicile existente şi care ar putea fi de mare interes pentru cercetarea biomedicală. Dar pulsurile de raze X de mare energie trebuie să fie atât de rapide încât imaginea trebuie obţinută înainte ca totul să se dezmembreze.
„Dacă pulsul este destul de scurt, toate razele X se difractă din proteină înainte ca aceasta să fie distrusă”, spune Kaertner. Aceasta este numită difracţie înainte de distrugere. ”Este un domeniu de mare interes în acest moment”, adaugă el.
Pe lângă cercetarea de bază, laserele de femtosecundă au, de asemenea, multe aplicaţii practice. Cea mai întâlnită este în micro-potrivirea materialelor şi în operaţia pentru ochi Lasik – care a fost posibilă datorită dezvoltării laserelor cu pulsuri. Aceste pulsuri extrem de scurte fac posibilă depozitarea cantităţilor ridicate de energie pentru a distruge materiale precum ţesuturi pe un volum minuscul, fără a trece destul timp pentru ca energia să difuzeze şi să afecteze ţesuturile învecinate, spune Kaertner.
Cât de scurtă este, deci, o femtosecundă? Un mod de a gândi, spune Kaertner este în termeni de cât de departe poate călători lumina într-un timp dat. Lumina parcurge aproximativ 300.000 de kilometri (sau 186.000 de mile) într-o secundă. Aceasta înseamnă că parcurge cam 30 de centimetri – aproximativ un picior – într-o nanosecundă. Într-o femtosecundă, lumina parcurge doar 300 de nanometri – cam de mărimea celei mai mari particule care poate să treacă printr-un filtru HEPA şi puţin mai mare decât cea mai mică bacterie.
Un alt mod de a gândi asupra duratei unei femtosecunde este următorul: o femtosecundă este pentru o secundă precum o secundă este pentru aproximativ 32 de milioane de ani.
Drept indicator grosier pentru cât de relevanţi devin aceşti termeni îl reprezintă un studiu recent făcut de Google, care a arătat că mai mult de două milioane de căutări au fost făcute pentru termenul femtosecunde, însă doar o zecime din acestea pentru attosecunde şi doar 16.000 pentru următorul termen, zeptosecundă – dintre care multe au fost simple definiţii de dicţionar, în loc de utilizările termenului (ultimul termen din acest şir, yoctosecunda, a înregistrat un număr similar de căutări).
Însă pe măsură ce tehnologia continuă să avanseze, în viitorul apropiat ar putea apărea mai multe detalii despre zeptosecunde şi yoctosecunde sau, mergând în cealaltă direcţie, despre termeni precum zettabytes de date sau yottawaţi de putere.
Traducere realizată de Răzvan Gavrilă după femtoseconds-attoseconds, cu acordul editorului.
