Même après des siècles de science fondamentale, la recherche sur la nature de la lumière et de son utilisation potentielle reste à la frontière scientifique. La création d'impulsions laser intenses durée inférieure à 10-17 secondes, il sera possible de capturer des mouvements rapides des électrons. Dans la décennie à venir, la création de matériaux artificiels avec de nouvelles propriétés optiques, en particulier le long des lignes inspirées par biomatériaux, va révolutionner l'optique.
Comme un mystère fondamental, la lumière a inspiré les scientifiques depuis des siècles. À travers le spectre électromagnétique, de grande longueur d'onde de rayonnement infrarouge à travers les rayons X et les rayons gamma de haute énergie, la lumière est un outil indispensable pour sonder la matière en physique et en astrophysique atomiques et à l'état solide, ainsi que dans la chimie, la biologie et de la médecine. Pourtant, la recherche sur la nature fondamentale de la lumière et de ses utilisations potentielles reste parmi les zones les plus dynamiques de la science.
Dans la décennie à venir, la recherche et les applications optiques vont progresser rapidement le long de plusieurs lignes. Comme illustré récemment, avenues prometteuses comprennent l'exploration fondamentale de la façon dont la lumière interagit avec la matière, l'ingénierie de nouveaux matériaux aux propriétés optiques jusque-là inconnues, et les efforts pour mettre la lumière à utiliser dans de puissants nouveaux systèmes de traitement et de communication d'informations.
INTERACTION DE LA LUMIERE AVEC AFFAIRE: PROGRES RECENTS
Le mouvement des électrons dans les atomes ou de molécules, ou à l'intérieur des matériaux en vrac, à la base des propriétés de toutes les matières, y compris la chimie qui soutient la vie. Événements électroniques ont lieu sur une courte échelle de temps d'environ 10 -18 secondes (1 as) , et il est seulement récemment que les physiciens ont mis au point des sources de lumière laser qui viennent près d'être en mesure de prendre des instantanés ce rapidement . Ces impulsions laser permettent «l'électronique lumière d'onde», non seulement pour étudier le mouvement des électrons dans des détails précis, mais aussi d'orienter les électrons individuels au cours des réactions chimiques de manière à former des liaisons chimiques désirées. Courtes impulsions de lumière avec des propriétés adaptées ont également été utilisés pour manipuler le comportement quantique collectif de nombreux électrons dans des matériaux complexes.
L'interaction des intenses rayons X faisceaux laser avec des noyaux atomiques a également ouvert le nouveau domaine de l’optique quantique nucléaire . Un champ laser intense peut provoquer un électron d'être libéré d'un atome, puis d'entrer en collision à nouveau avec cet atome avec une énergie élevée. Cet effet imite l'action d'un accélérateur de particules à haute énergie et pourrait bientôt être utilisé pour sonder la physique du noyau atomique.
Dans la dernière décennie, les chercheurs ont également fait d'énormes progrès dans l'apprentissage pour concevoir et fabriquer des matériaux artificiels avec des propriétés optiques contrairement à quoi que ce soit dans la nature, ainsi que l'adaptation de ces propriétés pour des applications spécifiques. Par exemple, les fibres à cristaux photoniques, qui sont des fibres de verre avec des canaux microscopiques parallèles à l'axe de la fibre ( Fig. 1 ), ont récemment été exploités pour la détection optique et de contrôler les flux de fluides dans des géométries microscopiques (une zone connue comme la microfluidique) .Un autre domaine prometteur de matériaux avancés est nanophotonique, qui explore les propriétés optiques des particules et des molécules qui sont capables de servir de sources ou de détecteurs de lumière comme anormalement sensibles nano simples.
Dans le domaine connexe et l'avancement rapide de la biophotonique, les chercheurs explorent les interactions entre les matériaux biologiques et de la lumière, en particulier l'émission, la détection, l'absorption, la réflexion et la modification de la lumière à partir de biomolécules dans les cellules et les tissus. Cette région présente de nombreuses opportunités émergentes, telles que l'utilisation de lumière pour manipuler l'ADN et dans de nouveaux appareils pour le diagnostic médical, l'imagerie, la photochimie ou la détection environnementale.
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La figure 1 Micrographies électroniques à
balayag. Image de gauche montre la structure
de cristal photonique solide et à âme creuse
typique ..
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Les anciennes techniques ont aussi été revitalisées. Dans la spectroscopie laser par exemple, l'invention de la technique fréquence peigne - une méthode pour compter les oscillations individuelles d'une onde lumineuse - permet une précision dans la mesure des raies spectrales de l' hydrogène de 1 à 10 14Fort de cette avance, les chercheurs. ont été en mesure d'effectuer des tests précis de lois physiques fondamentales, en particulier ceux de la théorie de l'électrodynamique quantique, qui décrit l'interaction entre la lumière et la matière. Spectroscopie est également utilisée dans des applications avancées dans des domaines surprenants tels que le stockage de l'énergie. La conversion de la lumière dans les dispositifs photovoltaïques («photosynthèse artificielle») ou des cellules de l'eau de fractionnement photocatalytiques (qui pourrait produire de l'hydrogène pour une économie basée sur l'hydrogène putative) a lieu un photon à la fois dans les processus à l'échelle atomique ou moléculaire. Les nouvelles techniques spectroscopiques ont fourni des informations d'une grande valeur pour de tels procédés, qui se trouvent souvent hors de portée des autres types d'expérience.
DIRECTIONS FUTURES
La recherche sur les interactions lumière-matière fera progresser dans les prochaines années, en particulier dans un certain nombre de domaines clés , y compris, par exemple, le développement continu des «lasers à électrons libres», créant déjà des éclairs de lumière qui sont 10 9 fois plus lumineux et 10 4 fois plus courte que le rayonnement synchrotron . Ces impulsions vont permettre aux scientifiques de suivre la fabrication et le freinage des liaisons chimiques au cours des réactions en suivant les positions des ions spécifiques, ou à l'image de la structure de biomolécules directement à partir de ceux qui sont présents dans un gaz (sans le besoin actuel de cristallisation). Imagerie Superfast permettra également aux physiciens d'étudier les processus de base en matière solide par laquelle excitations électroniques perdent leur énergie à treillis vibrations .
La technique fréquence peigne a déjà amélioré la précision des mesures dans le temps à un sur 10 17. Cette avance va encore stimuler de nombreuses nouvelles applications dans les télécommunications, les systèmes mondiaux de positionnement et ailleurs, y compris les sciences fondamentales (telles que l'étude de la gravité).
Les efforts se poursuivent pour améliorer le contrôle des particules quantiques simples tels que des atomes ou des photons, qui obéissent aux lois de la physique quantique et ainsi présentent des propriétés fondamentalement différentes de celles des objets à grande échelle. Un défi majeur consiste à exploiter la physique quantique pour obtenir le contrôle de ces quanta individuels. En optique, cela signifierait contrôler les propriétés des photons uniques, y compris leur forme spatiale et temporelle, ainsi que leurs interactions avec les émetteurs et les absorbeurs .La réalisation de ce contrôle va stimuler le progrès important vers l’informatique quantique et d’autres applications de la physique quantique en traitement de l’information.
Le travail dans l'optique moderne est aussi des obstacles à surmonter longtemps considéré comme insurmontable. Par exemple, les scientifiques n’ont cru précédemment que la longueur d'onde de la lumière de la résolution spatiale limitée possible qui peut être réalisé en imagerie en champ lointain. Cette limite a été brisée, cependant, et la résolution spatiale de l'ordre de nanomètres peut être atteint. Les techniques d'imagerie améliorées ont un large éventail d'applications en biologie cellulaire, par exemple, ainsi que dans la physique des surfaces et de la chimie.
Enfin, sur un thème connexe, les progrès dans la capacité des scientifiques de contrôler les interactions de la lumière avec des structures de taille micrométrique et nanométriques spécialement conçus a conduit à la découverte des phénomènes surprenants, tels que les matériaux ayant un indice de réfraction négatif, la possibilité de faire «capes d'invisibilité», et le ralentissement et l'arrêt de la propagation de la lumière. Jusqu'à présent, tout cela est jusqu'à présent limitée à des bandes de fréquences étroites. Une exploration plus approfondie de ces phénomènes devrait déclencher les progrès de la science fondamentale et a le potentiel de créer de nouveaux domaines de la technologie.
L'Institut Max Planck d'optique quantique a réussi à l' observation en temps réel du transport d' électrons de charge dans les solides. Les scientifiques ont libéré des électrons en cristal de tungstène par des impulsions attosecondes ultraviolets et ont utilisé le champ électrique d'une impulsion laser infrarouge comme une attoseconde "chronomètre" pour mesurer le temps d'arrivée des électrons à la surface. Suivi des électrons lorsqu'ils traversent des couches atomiques dans les solides pourraient aider électronique avance à sa limite de vitesse ultime à des fréquences lumineuses