A maioria dos lasers emite fótons exatamente do mesmo comprimento de onda, produzindo uma única cor. Contudo, também existem lasers que consistem em muitas frequências, com intervalos iguais entre eles, como os dentes de um pente; portanto, eles são chamados de "pentes de frequência". Os pentes de frequência são perfeitos para detectar uma variedade de substâncias químicas.

Na TU Wien (Viena), este tipo especial de luz laser compreende um laboratório de química em formato milimétrico. Com esta nova tecnologia com patente pendente, os pentes de frequência podem ser criados em um único chip de maneira muito simples e robusta. Este trabalho já foi apresentado na revista. Nature Photonics .

Os pentes de frequência existem há anos. Em 2005, a inovação recebeu o Prêmio Nobel de Física. "O que é interessante sobre eles é que é relativamente fácil construir um espectrômetro com dois pentes de frequência, "explica Benedikt Schwarz, quem chefia o projeto de pesquisa. “É possível fazer uso de batidas entre frequências diferentes, semelhantes aos que ocorrem na acústica, se você ouvir dois tons diferentes com frequência semelhante. Usamos este novo método, porque não requer peças móveis e nos permite desenvolver um laboratório de química em miniatura na escala milimétrica. "

Na Universidade de Tecnologia de Viena, os combs de frequência são produzidos com lasers em cascata quântica. Esses lasers especiais são estruturas semicondutoras que consistem em muitas camadas. Quando a corrente elétrica é enviada através da estrutura, o laser emite luz na faixa do infravermelho. As propriedades da luz podem ser controladas ajustando a geometria da estrutura da camada.

“Com a ajuda de um sinal elétrico de frequência específica, podemos controlar nossos lasers em cascata quântica e fazê-los emitir uma série de frequências de luz, que estão todos acoplados, "diz Johannes Hillbrand, primeiro autor da publicação. O fenômeno é uma reminiscência de balanços em uma estrutura de balanço - em vez de empurrar balanços individuais, pode-se fazer o andaime oscilar na frequência certa, fazendo com que todas as oscilações oscilem em certos padrões acoplados.

"A grande vantagem de nossa tecnologia é a robustez do pente de frequência, "diz Benedikt Schwarz. Sem esta técnica, os lasers são extremamente sensíveis a distúrbios, que são inevitáveis ​​fora do laboratório, como flutuações de temperatura, ou reflexos que enviam parte da luz de volta ao laser. "Nossa tecnologia pode ser realizada com muito pouco esforço e, portanto, é perfeita para aplicações práticas, mesmo em ambientes difíceis. Basicamente, os componentes de que precisamos podem ser encontrados em todos os telefones celulares, "diz Schwarz.

O fato de o laser em cascata quântica gerar um pente de frequência na faixa do infravermelho é crucial, porque muitas das moléculas mais importantes podem ser mais bem detectadas pela luz nesta faixa de frequência. "Vários poluentes atmosféricos, mas também biomoléculas, que desempenham um papel importante no diagnóstico médico, absorver frequências de luz infravermelha muito específicas. Isso é frequentemente referido como a impressão digital óptica da molécula, "explica Johannes Hillbrand." Então, quando medimos, quais frequências infravermelhas são absorvidas por uma amostra de gás, podemos dizer exatamente quais substâncias ele contém. "

Medições no microchip

“Por causa de sua robustez, nosso sistema tem uma vantagem decisiva sobre todas as outras tecnologias de pente de frequência:pode ser facilmente miniaturizado, "diz Benedikt Schwarz." Não precisamos de sistemas de lentes, sem peças móveis e sem isoladores ópticos, as estruturas necessárias são minúsculas. Todo o sistema de medição pode ser acomodado em um chip em formato milimétrico. "

Isso poderia ter aplicações espetaculares:chips instalados em um drone poderiam medir os poluentes do ar, por exemplo. Chips presos à parede podem procurar vestígios de substâncias explosivas em edifícios. Eles também podem ser usados ​​em equipamentos médicos para detectar doenças por meio da análise de produtos químicos no ar respiratório.

“Outras equipes de pesquisa já estão muito interessadas em nosso sistema. Esperamos que em breve ele seja usado não apenas em pesquisas acadêmicas, mas também em aplicações do dia a dia, "diz Benedikt Schwarz.