Em um novo artigo publicado hoje em Avanços da Ciência , pesquisadores sob a direção dos professores de engenharia da Columbia, Michal Lipson e Alexander Gaeta (Física Aplicada e Matemática Aplicada), miniaturizaram pentes de dupla frequência, colocando dois geradores de pente de frequência em um único chip de tamanho milimétrico.

"Esta é a primeira vez que um pente duplo foi gerado em um único chip usando um único laser, "diz Lipson, Professor de Engenharia Elétrica Higgins.

Um pente de frequência é um tipo especial de feixe de luz com muitas frequências diferentes, ou "cores, "todos espaçados uns dos outros de uma forma extremamente precisa. Quando esta luz multicolorida é enviada através de uma amostra química, algumas cores são absorvidas pelas moléculas do espécime. Ao observar quais cores foram absorvidas, pode-se identificar com exclusividade as moléculas na amostra com alta precisão. Esta técnica, conhecido como espectroscopia de pente de frequência, permite a impressão digital molecular e pode ser usado para detectar produtos químicos tóxicos em áreas industriais, para implementar controles de segurança ocupacional, ou para monitorar o meio ambiente.

"A espectroscopia de pente duplo é esta técnica administrada com esteróides, "diz Avik Dutt, ex-aluno do grupo de Lipson (agora bolsista de pós-doutorado em Stanford) e principal autor do artigo. "Ao misturar dois pentes de frequência em vez de um único pente, podemos aumentar a velocidade com que as medições são feitas em milhares de vezes ou mais. "

O trabalho também demonstrou a amplitude de frequência mais ampla de qualquer pente duplo no chip? Ou seja, a diferença entre as cores na extremidade de baixa frequência e na extremidade de alta frequência é a maior. Esta extensão permite que uma grande variedade de produtos químicos sejam detectados com o mesmo dispositivo, e também torna mais fácil identificar as moléculas de forma única:quanto mais ampla a gama de cores no pente, mais ampla é a diversidade de moléculas que podem ver as cores.

Espectrômetros convencionais de pente duplo, que foram introduzidos na última década, são instrumentos de mesa volumosos, e não portátil devido ao seu tamanho, custo, e complexidade. Em contraste, o pente duplo em escala de chip Columbia Engineering pode ser facilmente transportado e usado para detecção e espectroscopia em ambientes de campo em tempo real.

"Agora existe um caminho para tentar integrar todo o dispositivo em um telefone ou dispositivo vestível, "diz Gaeta, Rickey Professor de Física Aplicada e Ciência dos Materiais.

Os pesquisadores miniaturizaram o pente duplo, colocando os dois geradores de pente de frequência em um único chip de tamanho milimétrico. Eles também usaram um único laser para gerar os dois pentes, em vez dos dois lasers usados ​​em pentes duplos convencionais, o que reduziu a complexidade experimental e removeu a necessidade de eletrônicos complicados. Para produzir anéis minúsculos - dezenas de micrômetros de diâmetro - que orientam e aumentam a luz com perda ultrabaixa, a equipe usou nitreto de silício, um material semelhante ao vidro que eles aperfeiçoaram especificamente para esse propósito. Ao combinar o nitreto de silício com aquecedores de platina, eles foram capazes de ajustar os anéis com precisão e fazê-los trabalhar em conjunto com o laser de entrada única.

"O nitreto de silício é um material amplamente utilizado na indústria de semicondutores à base de silício que cria chips de computador / smartphone, "Notas de Lipson." Então, aproveitando os recursos desta indústria madura, podemos prever a fabricação confiável desses chips de pente duplo em grande escala a um custo baixo. "

Usando este pente duplo, Os grupos de Lipson e Gaeta demonstraram espectroscopia em tempo real do diclorometano químico em velocidades muito altas, em uma ampla faixa de frequência. Um solvente orgânico amplamente utilizado, o diclorometano é abundante em áreas industriais, bem como nas emissões de áreas úmidas. O produto químico é cancerígeno, e sua alta volatilidade apresenta riscos de inalação agudos. O compacto da Columbia Engineering, espectrômetro de pente duplo em escala de chip foi capaz de medir um amplo espectro de diclorometano em apenas 20 microssegundos (há 1, 000, 000 microssegundos em um segundo), uma tarefa que levaria pelo menos vários segundos com espectrômetros convencionais.

Ao contrário da maioria dos espectrômetros, que se concentram na detecção de gás, Esta nova, espectrômetro miniaturizado é especialmente adequado para líquidos e sólidos, que têm características de absorção mais amplas do que os gases? a faixa de frequências que eles absorvem é mais espalhada. "Isso é o que nosso dispositivo é tão bom em gerar, "Gaeta explica." Nossos pentes duplos muito amplos têm um espaçamento moderado entre as linhas sucessivas do pente de frequência, em comparação com espectrômetros de gás, que podem funcionar com um pente duplo menos amplo, mas precisam de um espaçamento fino entre as linhas do pente. "

A equipe está trabalhando para ampliar ainda mais a amplitude de frequência dos pentes duplos, e no aumento da resolução do espectrômetro ajustando as linhas do pente. Em um artigo publicado em novembro passado na Optics Letters, Os grupos de Gaeta e Lipson demonstraram alguns passos para mostrar uma resolução aumentada.

"Também se poderia imaginar a integração do laser de entrada no chip para miniaturizar ainda mais o sistema, pavimentando o caminho para a comercialização dessa tecnologia no futuro, "diz Dutt.