Nossos olhos são sensíveis a apenas três bandas de cores espectrais (vermelho, verde, azul), e as pessoas não conseguem mais distinguir as cores se ficar muito escuro. Os espectroscopistas podem identificar muito mais cores pelas frequências das ondas de luz e podem distinguir átomos e moléculas por suas impressões digitais espectrais. Em um experimento de prova de princípio, Nathalie Picqué e Theodor Hänsch do Instituto de Óptica Quântica Max-Planck (MPQ) e da Universidade Ludwig-Maximilian (LMU) já registraram espectros amplos com cerca de 100, 000 cores em escuridão quase completa. O experimento emprega dois lasers de femtossegundos de modo bloqueado e um detector de contagem de fóton único. Os resultados acabam de ser publicados no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Um laser de femtossegundo travado em modo emite centenas de milhares de linhas espectrais nítidas que são espaçadas uniformemente em frequência. Esses pentes de frequência de laser são agora amplamente usados ​​para contar as oscilações de uma onda de laser e servem como mecanismo de relógio em relógios atômicos ópticos. A técnica do pente de frequência foi destacada quando o Prêmio Nobel de Física de 2005 foi concedido a Theodor Hänsch e John L. Hall.

Durante os últimos 15 anos, Nathalie Picqué, do MPQ, utilizou pentes de frequência para novas abordagens à espectroscopia óptica de banda larga. Em sua técnica de espectroscopia de pente duplo, todas as linhas de pente de um laser interrogam uma amostra simultaneamente em uma ampla faixa espectral, e as linhas de pente de um segundo laser com espaçamento ligeiramente diferente interferem em um fotodetector rápido para leitura. Pares de linhas de pente, um de cada laser, produzir notas de batida de radiofrequência no sinal do detector. Esses sinais de radiofrequência podem ser digitalizados e processados ​​por um computador. Qualquer estrutura espectral óptica na amostra reaparece como um padrão correspondente no pente de sinais de radiofrequência. Os sinais ópticos são efetivamente desacelerados por um grande fator igual à freqüência de repetição do laser dividido pela diferença nas freqüências de repetição. As vantagens exclusivas desta ferramenta espectroscópica poderosa incluem resolução espectral virtualmente ilimitada, possível calibração com um relógio atômico, e aquisição altamente consistente de espectros complexos sem qualquer necessidade de varredura ou partes móveis mecanicamente.

Picqué e Hänsch demonstraram agora que a espectroscopia dual-comb pode ser estendida a intensidades de luz extremamente baixas no regime de contagem de fótons. Os sinais de interferência podem ser observados nas estatísticas dos cliques do detector de contagem de fótons, mesmo que a potência seja tão baixa que apenas um clique seja registrado ao longo de 2.000 pulsos de laser, na média. Sob tais circunstâncias, é extremamente improvável que dois fótons, um de cada laser, estão presentes no caminho de detecção ao mesmo tempo. O experimento não pode ser explicado intuitivamente se assumirmos que um fóton existe antes da detecção.

A capacidade de trabalhar em intensidades de luz um bilhão de vezes mais baixas do que as normalmente empregadas abre novas perspectivas intrigantes para a espectroscopia de pente duplo. Nathalie Picqué diz, "O método agora pode ser estendido a regiões espectrais onde, no máximo, fontes de pente de frequência fraca estão disponíveis, tais como ultravioleta extremo ou região de raio-X suave. Os sinais espectroscópicos podem ser adquiridos por meio de materiais altamente atenuantes ou por retroespalhamento em grandes distâncias. E torna-se viável extrair espectros de pente duplo de amostras nanoscópicas até átomos ou moléculas individuais, que produzem apenas sinais de fluorescência fracos. "

Theodor Hänsch se lembra do momento no laboratório em que um padrão de interferência surgiu pela primeira vez nas estatísticas de cliques do detector:"Fiquei emocionado. Mesmo depois de trabalhar em espectroscopia a laser por mais de 50 anos, parecia bastante contra-intuitivo para mim que fótons detectados individualmente pudessem estar 'cientes' dos dois lasers com seu grande número de linhas de pente e do espectro complexo de uma amostra. "