Os gases no ambiente podem ser sondados espectroscopicamente de forma rápida e precisa usando os chamados pentes de dupla frequência. Os pesquisadores da ETH desenvolveram agora um método pelo qual esses favos de frequência podem ser criados de forma muito mais simples e barata do que antes.

Em contraste com a luz emitida por uma lâmpada simples, a luz laser tem uma frequência definida com muita precisão. Isso o torna ideal para investigações espectroscópicas, em que as propriedades das substâncias são determinadas com base nas frequências em que absorvem luz. Uma análise espectroscópica completa normalmente requer um pouco de paciência, já que a frequência do laser deve ser alterada gradualmente ("escaneada") para se obter um espectrograma completo. Um grupo de físicos da ETH em Zurique liderado por Ursula Keller no Instituto de Eletrônica Quântica agora demonstrou um método seminal que pode levar a investigações espectroscópicas mais simples e rápidas no futuro. Para aquele propósito, eles desenvolveram uma nova técnica para criar os chamados pentes de frequência dupla. Os resultados já foram publicados na revista científica Ciência .

Uma régua feita de luz

Considerando que um laser normal emite luz em uma frequência, um pente de frequência apresenta um grande número de frequências a uma distância constante umas das outras - exatamente como as marcas em uma régua. Isso é possível com o uso de lasers que criam pulsos de luz periódicos extremamente curtos. Esses trens de pulso têm um espectro de frequência semelhante a um pente, que pode ser ampliado ainda mais usando materiais ópticos particulares. Em 2005, o Prêmio Nobel foi concedido por espectroscopia de precisão baseada em laser, incluindo a técnica de pente de frequência óptica, ao qual Ursula Keller em colaboração com Harald Telle da PTB Braunschweig inventou a tecnologia de capacitação chave para a estabilização do pente em 1999.

Em princípio, alguém poderia sondar uma substância simultaneamente com muitas frequências usando esse pente de frequência. Na espectroscopia comum, uma parte da luz do laser é enviada através do material a ser estudado, e a outra parte é usada como referência. A frequência do laser agora é continuamente verificada, e, ao mesmo tempo, a absorção da luz laser pela substância é medida em relação ao feixe de referência usando dois fotodetectores. A partir dessa varredura de frequência, o espectrograma característico da substância é obtido. Infelizmente, este procedimento não pode ser aplicado diretamente a um pente de frequência. As diferentes frequências contidas simultaneamente no favo certamente seriam absorvidas de maneira diferente. O fotodetector, Contudo, não seria capaz de distingui-los. Para fazer isso, teria que registrar diretamente o indivíduo, oscilações superpostas da luz, que, Contudo, é impossível na prática por causa de sua alta frequência de várias centenas de Terahertz (mil bilhões de oscilações por segundo).

O truque do afinador de piano

A técnica desenvolvida por Keller e seus colegas de trabalho "traduz" essas oscilações rápidas e não mensuráveis ​​diretamente em outras muito mais lentas que podem ser facilmente detectadas com a eletrônica convencional. Este procedimento se baseia em um truque que é usado de forma semelhante por afinadores de piano. Para obter uma afinação igual dos diferentes acordes do mesmo tom, um afinador de piano usa a batida produzida pela sobreposição de duas frequências diferentes. A batida pulsa a uma velocidade que corresponde à diferença das duas frequências sobrepostas.

Os pesquisadores da ETH usam um método muito semelhante em que criam um segundo pente de frequência, cujas frequências têm um espaçamento ligeiramente diferente do primeiro. Isso cria pares de frequências, cada um deles resulta em uma frequência de batida ligeiramente diferente. Essas frequências de batimento estão agora no regime Megahertz e podem ser facilmente medidas usando fotodetectores.

Dois pentes de frequência pelo preço de um

Este tipo de espectroscopia de pente duplo já existe há alguns anos, mas a técnica agora desenvolvida na ETH a torna consideravelmente mais simples e menos cara, como Sandro Link, Aluno de doutorado e primeiro autor do artigo, explica:"A verdadeira novidade é que criamos os dois pentes de frequência com apenas um laser em vez de dois, que teriam que ser cuidadosamente estabilizados em relação um ao outro. "O truque que eles usam consiste em um cristal birrefringente que é inserido em um laser, o que faz com que a luz viaje distâncias ligeiramente diferentes de acordo com sua polarização (ou seja, direção de oscilação da onda eletromagnética). Como consequência, os dois feixes de laser assim produzidos têm períodos de pulso ligeiramente diferentes, o que, por sua vez, leva a pentes de frequência com espaçamentos de frequência diferentes. Como os dois combs de frequência são criados pelo mesmo laser, estabilizá-los um contra o outro torna-se redundante.

Uma série de aplicações possíveis da nova tecnologia se apresentam. Uma vez que permite produzir um espectrograma completo em menos de um milésimo de segundo, é ideal para medir a concentração de substâncias no meio ambiente ou em exaustores de fábricas. Gases de fluxo rápido em ambientes petroquímicos também podem ser analisados ​​rapidamente, por exemplo, para monitorar e controlar os processos de produção.