Uma equipe internacional de físicos de laser da equipe attoworld da LMU e do Instituto Max Planck de Óptica Quântica alcançou um controle sem precedentes sobre pulsos de luz na faixa de comprimento de onda do infravermelho médio.
Pulsos de luz infravermelha ultracurtos são a chave para uma ampla gama de aplicações tecnológicas. O campo de luz infravermelha oscilante pode excitar moléculas em uma amostra para vibrar em frequências específicas, ou conduzir correntes elétricas ultrarrápidas em semicondutores. Qualquer pessoa que pretenda explorar a forma de onda oscilante de pulsos de luz ultracurtos, para conduzir processos eletro-ópticos de ponta, por exemplo, enfrenta a mesma questão – como controlar melhor a forma de onda. A geração de pulsos ultracurtos com formas de onda ajustáveis ​​foi demonstrada em diferentes faixas de comprimento de onda, como o UV-visível e o infravermelho próximo. Físicos da equipe attoworld da LMU, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) e do Centro Húngaro de Impressão Molecular (CMF) conseguiram agora gerar pulsos de infravermelho médio ultracurtos e controlar com precisão suas formas de onda de campo elétrico. Com este manipulador de forma de onda infravermelho em mãos, novas possibilidades de controle óptico para aplicações biomédicas e eletrônica quântica entram em ação.

A base para a nova fonte de infravermelho médio é um sistema de laser estabilizado que gera pulsos de luz com uma forma de onda definida com precisão em comprimentos de onda do infravermelho próximo. Os pulsos consistem em apenas uma oscilação da onda de luz e, portanto, têm apenas alguns femtossegundos de duração. Quando esses pulsos são enviados para um cristal não linear adequado, a geração de pulsos infravermelhos de comprimento de onda longo pode ser induzida aproveitando-se de processos complexos de mistura de frequência. Dessa forma, a equipe conseguiu produzir pulsos de luz com uma cobertura espectral excepcionalmente grande de mais de três oitavas ópticas, de 1 a 12 micrômetros. Os pesquisadores não só conseguiram entender e simular a física subjacente dos processos de mistura, mas também desenvolveram uma nova abordagem para controlar com precisão as oscilações da luz infravermelha gerada por meio do ajuste dos parâmetros de entrada do laser.

As formas de onda ajustáveis ​​resultantes podem, por exemplo, acionar seletivamente certos processos eletrônicos em sólidos, o que poderia permitir alcançar velocidades de processamento de sinal eletrônico muito mais altas no futuro. "Com base nisso, pode-se vislumbrar o desenvolvimento de eletrônicos controlados por luz", explica Philipp Steinleitner, um dos três principais autores do estudo. “Se os dispositivos optoeletrônicos operassem nas frequências da luz gerada, você poderia acelerar a eletrônica de hoje em pelo menos um fator de 1000”.

Os físicos do attoworld estão prestando atenção especial ao uso da nova tecnologia de luz para a espectroscopia de moléculas. Quando a luz do infravermelho médio passa através de um líquido de amostra, por exemplo, sangue humano, as moléculas na amostra começam a oscilar e, por sua vez, emitem ondas de luz características. A detecção da resposta molecular fornece uma impressão digital única que depende da composição exata da amostra. "Com nossa tecnologia a laser, expandimos significativamente a faixa de comprimento de onda controlável no infravermelho", diz Nathalie Nagl, também primeira autora do estudo. "Os comprimentos de onda adicionais nos dão a oportunidade de analisar ainda mais precisamente como uma mistura de moléculas é composta", continua ela.

No grupo attoworld, colegas da equipe Broadband Infrared Diagnostics (BIRD) liderada por Mihaela Zigman e da equipe CMF Research liderada por Alexander Weigel estão particularmente interessados ​​em medir as impressões digitais moleculares infravermelhas precisas de amostras de sangue humano. A visão é identificar assinaturas características que permitam diagnosticar doenças como o câncer. Um tumor em desenvolvimento, por exemplo, leva a mudanças pequenas e altamente complexas na composição molecular do sangue. O objetivo é detectar essas alterações e possibilitar o diagnóstico precoce de doenças por meio da medição da impressão digital infravermelha de uma simples gota de sangue humano.

"No futuro, nossa tecnologia de laser permitirá que nossos colegas detectem alterações anteriormente indetectáveis ​​em biomoléculas específicas, como proteínas ou lipídios. Isso aumenta a confiabilidade de futuros diagnósticos médicos usando tecnologia de laser infravermelho", diz Maciej Kowalczyk, também primeiro autor do estudar.

A pesquisa foi publicada em Nature Photonics . + Explorar mais

Um sentido para a luz infravermelha