Espectroscopia ultravioleta:um salto em precisão e exatidão em níveis de luz extremamente baixos
Um espectrômetro de pente duplo com contagem de fótons ultravioleta. Dois pentes de frequência ultravioleta com frequências de repetição de pulso ligeiramente diferentes são gerados em níveis de luz muito baixos pela conversão de frequência não linear de pentes do infravermelho próximo. Um pente ultravioleta passa por uma amostra. Os dois pentes fracos são então sobrepostos com um divisor de feixe e detectados por um detector de contagem de fótons. Em níveis de potência mais de um milhão de vezes mais fracos do que os normalmente empregados, as estatísticas dos fótons detectados carregam a informação sobre a amostra com seu espectro óptico possivelmente altamente complexo. Crédito:Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07094-9 A espectroscopia ultravioleta desempenha um papel crítico no estudo de transições eletrônicas em átomos e transições rovibrônicas em moléculas. Esses estudos são essenciais para testes de física fundamental, teoria da eletrodinâmica quântica, determinação de constantes fundamentais, medições de precisão, relógios ópticos, espectroscopia de alta resolução em apoio à química atmosférica e astrofísica, e física de campo forte.
Cientistas do grupo de Nathalie Picqué do Instituto Max-Planck de Óptica Quântica deram agora um salto significativo no campo da espectroscopia ultravioleta ao implementar com sucesso espectroscopia de pente duplo de absorção linear de alta resolução na faixa espectral ultravioleta. Esta conquista inovadora abre novas possibilidades para a realização de experimentos em condições de pouca luz, abrindo caminho para novas aplicações em diversos campos científicos e tecnológicos.
A espectroscopia de pente duplo, uma técnica poderosa para espectroscopia precisa em amplas larguras de banda espectrais, tem sido usada principalmente para absorção linear infravermelha de pequenas moléculas na fase gasosa. Baseia-se na medição da interferência dependente do tempo entre dois pentes de frequência com frequências de repetição ligeiramente diferentes.
Um pente de frequência é um espectro de linhas de laser uniformemente espaçadas e com fase coerente que atua como uma régua para medir a frequência da luz com extrema precisão. A técnica de pente duplo não sofre das limitações geométricas associadas aos espectrômetros tradicionais e oferece grande potencial de alta precisão e exatidão.
A espectroscopia de pente duplo agora está disponível para baixas intensidades de luz
No entanto, a espectroscopia de pente duplo normalmente requer feixes de laser intensos, tornando-a menos adequada para cenários onde níveis baixos de luz são críticos. A equipe do MPQ demonstrou agora experimentalmente que a espectroscopia de pente duplo pode ser efetivamente empregada em condições de falta de luz em níveis de potência mais de um milhão de vezes mais fracos do que os normalmente usados.
Este avanço foi alcançado usando duas configurações experimentais distintas com diferentes tipos de geradores de pente de frequência. A equipe desenvolveu um interferômetro de nível de fótons que registra com precisão as estatísticas da contagem de fótons, apresentando uma relação sinal-ruído no limite fundamental. Esta conquista destaca o uso ideal da luz disponível para experimentos e abre a perspectiva de espectroscopia de pente duplo em cenários desafiadores onde baixos níveis de luz são essenciais.
Os pesquisadores do MPQ abordaram os desafios associados à geração de pentes de frequência ultravioleta e à construção de interferômetros de pente duplo com longos tempos de coerência, abrindo caminho para avanços nesse objetivo cobiçado. Eles controlaram primorosamente a coerência mútua de dois lasers de pente com um femtowatt por linha de pente, demonstrando um acúmulo ideal das estatísticas de contagem de seu sinal de interferência ao longo de períodos superiores a uma hora.
"Nossa abordagem inovadora à interferometria de baixa luminosidade supera os desafios colocados pela baixa eficiência da conversão de frequência não linear e estabelece uma base sólida para estender a espectroscopia de pente duplo para comprimentos de onda ainda mais curtos", comenta Bingxin Xu, o cientista de pós-doutorado que liderou os experimentos.
De fato, uma aplicação futura interessante é o desenvolvimento da espectroscopia de pente duplo em comprimentos de onda curtos para permitir espectroscopia molecular precisa de vácuo e ultravioleta extremo em amplas extensões espectrais. Atualmente, a espectroscopia UV extremo de banda larga é limitada em resolução e precisão e depende de instrumentação exclusiva em instalações especializadas.
"A espectroscopia ultravioleta de pente duplo, embora seja uma meta desafiadora, agora se tornou realista como resultado de nossa pesquisa. É importante ressaltar que nossos resultados estendem todos os recursos da espectroscopia de pente duplo para condições de pouca luz, desbloqueando novas aplicações em espectroscopia de precisão , detecção biomédica e sondagem atmosférica ambiental", conclui Nathalie Picqué.
As descobertas são publicadas na revista Nature .
Mais informações: Bingxin Xu et al, Espectroscopia de pente duplo com contagem de fótons no ultravioleta próximo, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07094-9 Informações do diário: Natureza
