Una técnica basada en láser que puede escanear y fijar señales de vibración molecular que normalmente son demasiado complejas para resolverlas con claridad podría permitir la producción de sensores para la identificación de múltiples especies en entornos hostiles. incluidas las emisiones industriales.

Las características de resorte de los enlaces químicos hacen que las moléculas se muevan y roten cuando son estimuladas por luz infrarroja. Los patrones resultantes de estas excitaciones pueden identificar de manera única sustancias, particularmente en la región de huellas dactilares, una banda de frecuencia que cubre el espectro del infrarrojo medio. En entornos realistas, sin embargo, las vibraciones en la región de la huella digital se vuelven borrosas y difíciles de resolver debido a la superposición de señales.

Una forma de detectar firmas moleculares individuales es con láseres de alta precisión, pero estas fuentes de luz normalmente operan a frecuencias fijas o escanean un rango de frecuencia muy limitado en la banda del infrarrojo medio. Ahora, un equipo de investigación, incluidos Bidoor AlSaif y Aamir Farooq de KAUST, informa haber superado estas restricciones con un láser sintonizable que se puede calibrar a través de líneas ópticas igualmente espaciadas conocidas como peines de frecuencia.

Los láseres de cascada cuántica utilizan transiciones de efecto túnel entre nanoestructuras fabricadas para generar luz infrarroja media. Al construir los dispositivos de modo que la amplificación óptica se produzca en un exterior, cavidad controlada por espejo, Las emisiones de frecuencia pueden cubrir toda la región de huellas dactilares. La implementación de estas características en espectrómetros que escanean y registran vibraciones moleculares se ha visto obstaculizada, sin embargo, por el ruido eléctrico natural de los electrones tunelizados.

"Los láseres de cascada cuántica de cavidad externa tienden a tener un comportamiento de alta vibración, que es problemático para aplicaciones de espectroscopia de precisión, "explica AlSaif." Es por eso que desarrollamos una idea para bloquear el láser de cascada cuántica del infrarrojo medio a un peine de frecuencia del infrarrojo cercano ".

El equipo de KAUST y sus compañeros de trabajo de Italia combinaron la emisión de láser de cascada cuántica y un peine de frecuencia utilizando un proceso óptico no lineal llamado generación de frecuencia de suma que solo aparece cuando dos fotones interactúan fuertemente. Los efectos de la fluctuación de fase se podrían estabilizar mediante la monitorización de las señales de las notas de ritmo causadas por las diferencias en las frecuencias ópticas entre el peine de frecuencia y el haz calibrado.

Para demostrar aplicaciones potenciales del espectrómetro, los investigadores probaron el dispositivo con gas de óxido nitroso (N2O), un componente atmosférico vinculado tanto al agotamiento del ozono como al calentamiento global. La superación de las limitaciones de la fluctuación sistemática proporcionó una resolución molecular sorprendente; incluso se observaron señales de rotación débiles que ocurren cuando el N2O absorbe luz superpuestas en las huellas dactilares vibratorias.

"Los datos espectroscópicos precisos son muy escasos en el rango del infrarrojo medio, "dice Farooq." Este tipo de dispositivo tiene la oportunidad no solo de realizar amplios estudios espectrales, pero también será muy útil en sensores ópticos ".