เลเซอร์เฟมโตวินาที

A เลเซอร์เฟมโตวินาทีเป็นอุปกรณ์สร้าง "แสงพัลส์เกินขีด" ที่เปล่งแสงในช่วงเวลาเกินขีดประมาณหนึ่งกิกะวินาทีเท่านั้น Fei เป็นตัวย่อของ Femto ซึ่งเป็นคำนำหน้าของระบบหน่วยสากล และ 1 femtosecond = 1×10^-15 วินาที แสงพัลซิ่งที่เรียกว่าเปล่งแสงเพียงชั่วครู่เท่านั้น เวลาในการเปล่งแสงของแฟลชของกล้องคือประมาณ 1 ไมโครวินาที ดังนั้นไฟชีพจรสั้นพิเศษของเฟมโตวินาทีจะปล่อยแสงเพียงประมาณหนึ่งในพันล้านของเวลาเท่านั้น อย่างที่เราทราบกันดีว่าความเร็วของแสงคือ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที (7 วงกลมครึ่งวงกลมรอบโลกใน 1 วินาที) ด้วยความเร็วที่ไม่มีใครเทียบได้ แต่ใน 1 femtosecond แม้แต่แสงก็ยังเคลื่อนที่ได้เพียง 0.3 ไมครอน

บ่อยครั้ง ด้วยการถ่ายภาพโดยใช้แฟลช เราสามารถตัดสถานะชั่วขณะของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ออกได้ ในทำนองเดียวกัน ถ้าเลเซอร์เฟมโตวินาทีถูกฉายแสง เป็นไปได้ที่จะเห็นทุกส่วนของปฏิกิริยาเคมีแม้ในขณะที่มันดำเนินไปด้วยความเร็วที่รุนแรง ด้วยเหตุนี้ จึงสามารถใช้เลเซอร์เฟมโตวินาทีเพื่อศึกษาความลึกลับของปฏิกิริยาเคมีได้
ปฏิกิริยาเคมีทั่วไปเกิดขึ้นหลังจากผ่านสถานะระดับกลางที่มีพลังงานสูง ซึ่งเรียกว่า "สถานะเปิดใช้งาน" การมีอยู่ของสภาวะที่ถูกกระตุ้นนั้นถูกทำนายในทางทฤษฎีโดยนักเคมี Arrhenius ตั้งแต่ปี 1889 แต่ไม่สามารถสังเกตได้โดยตรงเพราะมันมีอยู่ในช่วงเวลาสั้นๆ แต่การมีอยู่ของมันแสดงให้เห็นโดยตรงโดยเลเซอร์เฟมโตวินาทีในปลายทศวรรษ 1980 ซึ่งเป็นตัวอย่างว่าสามารถระบุปฏิกิริยาทางเคมีได้อย่างไรด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาที ตัวอย่างเช่น โมเลกุลของไซโคลเพนทาโนนถูกย่อยสลายเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์และโมเลกุลเอทิลีน 2 โมเลกุลโดยสภาวะที่ถูกกระตุ้น
ปัจจุบันเลเซอร์ Femtosecond ยังใช้ในหลากหลายสาขา เช่น ฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยาศาสตร์ การแพทย์ และวิศวกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านแสงและอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากความเข้มของแสงสามารถส่งข้อมูลจำนวนมากจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยแทบไม่สูญเสียเลย ทำให้การสื่อสารด้วยแสงเร็วขึ้น ในสาขาฟิสิกส์นิวเคลียร์ เลเซอร์ femtosecond ได้สร้างผลกระทบอย่างมาก เนื่องจากแสงพัลซิ่งมีสนามไฟฟ้าที่แรงมาก จึงเป็นไปได้ที่จะเร่งอิเล็กตรอนให้ใกล้ความเร็วแสงภายใน 1 femtosecond ดังนั้นจึงสามารถใช้เป็น "ตัวเร่ง" สำหรับการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอนได้

การประยุกต์ใช้ทางการแพทย์
ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ในโลกเฟมโตวินาที แม้แต่แสงก็ถูกแช่แข็งจนไม่สามารถเดินทางได้ไกลนัก แต่ถึงกระนั้นในเวลานี้ อะตอม โมเลกุลในสสาร และอิเล็กตรอนในชิปคอมพิวเตอร์ก็ยังเคลื่อนที่เป็นวงจร หากสามารถใช้ชีพจร femtosecond เพื่อหยุดมันได้ในทันที ให้ศึกษาว่าเกิดอะไรขึ้น นอกจากเวลากะพริบเพื่อหยุดแล้ว เลเซอร์เฟมโตวินาทียังสามารถเจาะรูเล็กๆ ในโลหะที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กได้ถึง 200 นาโนเมตร (2/10,000 มิลลิเมตร) ซึ่งหมายความว่าแสงพัลซิ่งระยะสั้นพิเศษที่ถูกบีบอัดและล็อคไว้ภายในในช่วงเวลาสั้น ๆ จะได้รับเอฟเฟกต์อันน่าทึ่งของเอาต์พุตที่สูงเป็นพิเศษ และไม่ก่อให้เกิดความเสียหายเพิ่มเติมต่อบริเวณโดยรอบ นอกจากนี้ แสงพัลซิ่งของเลเซอร์เฟมโตวินาทีสามารถถ่ายภาพวัตถุสามมิติที่ละเอียดมากได้ การถ่ายภาพสามมิติมีประโยชน์มากในการวินิจฉัยทางการแพทย์ จึงเป็นการเปิดสาขาใหม่ของการวิจัยที่เรียกว่าเอกซเรย์รบกวนทางแสง นี่คือภาพสามมิติของเนื้อเยื่อที่มีชีวิตและเซลล์ที่มีชีวิตซึ่งถ่ายด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาที ตัวอย่างเช่น แสงพัลส์สั้นมากพุ่งไปที่ผิวหนัง แสงพัลซิ่งจะสะท้อนออกจากพื้นผิวของผิวหนัง และส่วนหนึ่งของแสงพัลซิ่งจะถูกฉีดเข้าสู่ผิวหนัง ด้านในของผิวหนังประกอบด้วยหลายชั้น และแสงพัลซิ่งที่เข้าสู่ผิวหนังจะถูกสะท้อนกลับเป็นแสงพัลส์เล็กๆ และโครงสร้างภายในของผิวหนังสามารถทราบได้จากเสียงสะท้อนของแสงพัลส์ต่างๆ เหล่านี้ในแสงสะท้อน
นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้มีประโยชน์อย่างมากในด้านจักษุวิทยา ซึ่งสามารถถ่ายภาพสามมิติของเรตินาได้ลึกลงไปในดวงตา ซึ่งช่วยให้แพทย์วินิจฉัยได้ว่าเนื้อเยื่อของตนมีปัญหาหรือไม่ การตรวจประเภทนี้ไม่จำกัดเฉพาะดวงตา หากเลเซอร์ถูกส่งเข้าไปในร่างกายด้วยใยแก้วนำแสง ก็สามารถตรวจสอบเนื้อเยื่อของอวัยวะต่างๆ ในร่างกายได้ทั้งหมด และอาจเป็นไปได้ด้วยซ้ำว่าในอนาคตจะกลายเป็นมะเร็งหรือไม่

การใช้นาฬิกาที่มีความแม่นยำสูง
นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าถ้า aเลเซอร์เฟมโตวินาทีนาฬิกาถูกสร้างขึ้นโดยใช้แสงที่มองเห็นได้ โดยจะสามารถวัดเวลาได้แม่นยำกว่านาฬิกาอะตอม และจะเป็นนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดในโลกในปีต่อๆ ไป หากนาฬิกาถูกต้อง ความแม่นยำของ GPS (Global Positioning System) ที่ใช้สำหรับการนำทางรถยนต์ก็ดีขึ้นอย่างมากเช่นกัน
ทำไมแสงที่มองเห็นจึงสร้างนาฬิกาที่แม่นยำได้? นาฬิกาและนาฬิกาทั้งหมดแยกออกจากการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มและเฟือง และผ่านการสั่นของลูกตุ้มที่มีความถี่การสั่นสะเทือนที่แม่นยำ เฟืองจะหมุนเป็นเวลาไม่กี่วินาที และนาฬิกาที่แม่นยำก็ไม่มีข้อยกเว้น ดังนั้น เพื่อให้นาฬิกามีความแม่นยำมากขึ้น จึงจำเป็นต้องใช้ลูกตุ้มที่มีความถี่การสั่นสะเทือนสูงขึ้น นาฬิกาควอตซ์ (นาฬิกาที่สั่นด้วยคริสตัลแทนที่จะเป็นลูกตุ้ม) มีความแม่นยำมากกว่านาฬิกาลูกตุ้มเนื่องจากเครื่องสะท้อนเสียงควอตซ์จะสั่นหลายครั้งต่อวินาที
นาฬิกาอะตอมซีเซียม ซึ่งขณะนี้เป็นมาตรฐานเวลา จะสั่นที่ความถี่ประมาณ 9.2 กิกะเฮิรตซ์ (คำนำหน้าของหน่วยสากล กิกะ 1 กิกะ = 10^9) นาฬิกาอะตอมใช้ความถี่การสั่นตามธรรมชาติของอะตอมซีเซียมเพื่อแทนที่ลูกตุ้มด้วยไมโครเวฟที่มีความถี่การสั่นเท่ากัน และความแม่นยำของนาฬิกาเพียง 1 วินาทีในระยะเวลาหลายสิบล้านปี ในทางตรงกันข้าม แสงที่มองเห็นได้มีความถี่การสั่นสูงกว่าไมโครเวฟ 100,000 ถึง 1,000,000 เท่า กล่าวคือใช้พลังงานแสงที่มองเห็นได้เพื่อสร้างนาฬิกาที่แม่นยำซึ่งมีความแม่นยำมากกว่านาฬิกาอะตอมหลายล้านเท่า ประสบความสำเร็จในการสร้างนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดในโลกโดยใช้แสงที่มองเห็นได้ในห้องปฏิบัติการ
ด้วยความช่วยเหลือของนาฬิกาที่แม่นยำนี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์สามารถตรวจสอบได้ เราใส่นาฬิกาที่แม่นยำเหล่านี้ตัวหนึ่งในห้องทดลองและอีกเรือนหนึ่งวางไว้ที่สำนักงานชั้นล่าง โดยพิจารณาว่าจะเกิดอะไรขึ้นหลังจากผ่านไปหนึ่งหรือสองชั่วโมง ผลลัพธ์ก็เป็นไปตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ทำนายไว้ เนื่องจากทั้งสองมี "สนามโน้มถ่วงที่แตกต่างกัน" " ระหว่างชั้น นาฬิกาทั้งสองไม่ได้ชี้ไปที่เวลาเดียวกันอีกต่อไป และนาฬิกาที่อยู่ด้านล่างจะเดินช้ากว่านาฬิกาชั้นบน ด้วยนาฬิกาที่แม่นยำยิ่งขึ้น บางทีเวลาบนข้อมือและข้อเท้าอาจแตกต่างออกไปในวันนั้น เราสามารถสัมผัสกับความมหัศจรรย์ของสัมพัทธภาพได้ด้วยความช่วยเหลือของนาฬิกาที่แม่นยำ

เทคโนโลยีชะลอความเร็วแสง
ในปี 2542 ศาสตราจารย์ Rainer Howe แห่งมหาวิทยาลัยฮับบาร์ดในสหรัฐอเมริกาประสบความสำเร็จในการชะลอแสงเป็น 17 เมตรต่อวินาที ซึ่งเป็นความเร็วที่รถยนต์สามารถจับได้ จากนั้นจึงลดความเร็วลงจนได้ระดับที่แม้แต่จักรยานก็ไล่ตามได้สำเร็จ การทดลองนี้เกี่ยวข้องกับการวิจัยทางฟิสิกส์ที่ล้ำสมัยที่สุด และบทความนี้แนะนำเพียงสองกุญแจสู่ความสำเร็จของการทดลอง หนึ่งคือการสร้าง "ก้อนเมฆ" ของโซเดียมอะตอมที่อุณหภูมิต่ำมากใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ (-273.15°C) ซึ่งเป็นสถานะก๊าซพิเศษที่เรียกว่าคอนเดนเสทของโบส-ไอน์สไตน์ อีกอันหนึ่งคือเลเซอร์ที่ปรับความถี่การสั่น (เลเซอร์สำหรับควบคุม) และฉายรังสีกลุ่มโซเดียมอะตอมด้วย และด้วยเหตุนี้ สิ่งที่น่าทึ่งจึงเกิดขึ้น
อันดับแรก นักวิทยาศาสตร์ใช้เลเซอร์ควบคุมเพื่อบีบอัดแสงพัลซิ่งในกลุ่มเมฆอะตอม และความเร็วจะลดลงอย่างมาก ในเวลานี้ เลเซอร์ควบคุมจะปิดลง แสงพัลซิ่งจะหายไป และข้อมูลที่แสดงบนแสงพัลซิ่งจะถูกจัดเก็บไว้ในกลุ่มเมฆของอะตอม . จากนั้นจึงฉายรังสีด้วยเลเซอร์ควบคุม แสงพัลซิ่งจะกลับคืนมา และออกจากเมฆของอะตอม ดังนั้นชีพจรที่ถูกบีบอัดในตอนแรกจึงถูกยืดออกอีกครั้งและความเร็วจะกลับคืนมา กระบวนการทั้งหมดในการป้อนข้อมูลแสงพัลซิ่งลงในคลาวด์อะตอมคล้ายกับการอ่าน จัดเก็บ และการรีเซ็ตในคอมพิวเตอร์ ดังนั้นเทคโนโลยีนี้จึงเป็นประโยชน์สำหรับการนำคอมพิวเตอร์ควอนตัมมาใช้

โลกจาก "femtosecond" ถึง "attosecond"
เฟมโตวินาทีอยู่เหนือจินตนาการของเรา ตอนนี้เรากลับมาอยู่ในโลกของ attoseconds ซึ่งสั้นกว่า femtoseconds A เป็นตัวย่อสำหรับคำนำหน้า SI atto 1 attosecond = 1 × 10^-18 วินาที = หนึ่งในพันของเฟมโตวินาที ไม่สามารถสร้างพัลส์ Attosecond ด้วยแสงที่มองเห็นได้ เนื่องจากต้องใช้ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าของแสงเพื่อทำให้พัลส์สั้นลง ตัวอย่างเช่น ในกรณีของการสร้างพัลส์ด้วยแสงที่มองเห็นได้สีแดง เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างพัลส์ให้สั้นกว่าความยาวคลื่นนั้น แสงที่มองเห็นได้มีขีดจำกัดประมาณ 2 femtoseconds ซึ่งพัลส์ของ attosecond ใช้รังสีเอกซ์หรือรังสีแกมมาที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า สิ่งที่จะถูกค้นพบในอนาคตโดยใช้พัลส์เอ็กซ์เรย์ attosecond นั้นไม่ชัดเจน ตัวอย่างเช่น การใช้แฟลช attosecond เพื่อแสดงภาพโมเลกุลชีวภาพช่วยให้เราสังเกตกิจกรรมของพวกมันในระยะเวลาอันสั้น และอาจระบุโครงสร้างของชีวโมเลกุลได้