Os pulsos de laser com duração de meros femtossegundos (um quatrilionésimo de segundo) são estendidos até a faixa de nanossegundos (um bilionésimo de segundo). Crédito:© 2020 Ideguchi et al.
A espectroscopia é uma importante ferramenta de observação em muitas áreas da ciência e da indústria. A espectroscopia de infravermelho é especialmente importante no mundo da química, onde é usado para analisar e identificar moléculas. O método atual de última geração pode fazer aproximadamente 1 milhão de observações por segundo. Os pesquisadores da UTokyo superaram em muito esse número com um novo método cerca de 100 vezes mais rápido.
De ciência do clima a sistemas de segurança, fabricação para controle de qualidade de alimentos, a espectroscopia infravermelha é usada em tantos campos acadêmicos e industriais que é onipresente, embora invisível, parte da vida cotidiana. Em essência, A espectroscopia de infravermelho é uma forma de identificar com alto grau de precisão quais moléculas estão presentes em uma amostra de uma substância. A ideia básica existe há décadas e foi sendo aprimorada ao longo do caminho.
Em geral, a espectroscopia infravermelha funciona medindo a luz infravermelha transmitida ou refletida de moléculas em uma amostra. As vibrações inerentes das amostras alteram as características da luz de maneiras muito específicas, essencialmente fornecendo uma impressão digital química, ou espectros, que é lido por um circuito detector e analisador ou computador. Cinqüenta anos atrás, as melhores ferramentas podiam medir um espectro por segundo, e para muitas aplicações isso era mais do que adequado.
Mais recentemente, uma técnica chamada espectroscopia dual-comb alcançou uma taxa de medição de 1 milhão de espectros por segundo. Contudo, em muitos casos, observações mais rápidas são necessárias para produzir dados de granulação fina. Por exemplo, alguns pesquisadores desejam explorar os estágios de certas reações químicas que acontecem em escalas de tempo muito curtas. Esta unidade levou o Professor Associado Takuro Ideguchi do Instituto de Ciência e Tecnologia de Fótons, na Universidade de Tóquio, e sua equipe para analisar e criar o sistema de espectroscopia de infravermelho mais rápido até hoje.
A nova ferramenta consiste em vários componentes ópticos, incluindo lasers, espelhos, lentes e detectores. Ele pode detectar comprimentos de onda entre 4,4 e 4,9 micrômetros (milésimos de milímetro). Crédito:© 2020 Ideguchi et al.
"Desenvolvemos o espectrômetro infravermelho mais rápido do mundo, que funciona a 80 milhões de espectros por segundo, "disse Ideguchi." Este método, espectroscopia infravermelha de extensão de tempo, é cerca de 100 vezes mais rápido do que a espectroscopia de pente duplo, que atingiu um limite de velocidade superior devido a problemas de sensibilidade. "Considerando que existem cerca de 30 milhões de segundos em um ano, esse novo método pode alcançar em um segundo o que 50 anos atrás levaria mais de dois anos.
A espectroscopia de infravermelho com extensão de tempo funciona esticando um pulso muito curto de luz laser transmitido de uma amostra. À medida que o pulso transmitido é alongado, torna-se mais fácil para um detector e o circuito eletrônico que o acompanha analisar com precisão. Um componente chave de alta velocidade que torna isso possível é algo chamado detector de cascata quântica, desenvolvido por um dos autores do artigo, Tatsuo Dougakiuchi da Hamamatsu Photonics.
"A ciência natural é baseada em observações experimentais. Portanto, novas técnicas de medição podem abrir novos campos científicos, "disse Ideguchi." Pesquisadores em muitos campos podem desenvolver o que fizemos aqui e usar nosso trabalho para aprimorar sua própria compreensão e poderes de observação. "
