En un nuevo artículo publicado hoy en Avances de la ciencia , investigadores bajo la dirección de los profesores de ingeniería de Columbia Michal Lipson y Alexander Gaeta (Física Aplicada y Matemáticas Aplicadas) han miniaturizado peines de doble frecuencia colocando dos generadores de peines de frecuencia en un solo chip de tamaño milimétrico.

"Esta es la primera vez que se genera un peine doble en un solo chip utilizando un solo láser, "dice Lipson, Profesor Higgins de Ingeniería Eléctrica.

Un peine de frecuencia es un tipo especial de haz de luz con muchas frecuencias diferentes, o "colores, "todos espaciados entre sí de una manera extremadamente precisa. Cuando esta luz de muchos colores se envía a través de una muestra química, algunos colores son absorbidos por las moléculas de la muestra. Al observar qué colores se han absorbido, uno puede identificar de forma única las moléculas en la muestra con alta precisión. Esta tecnica, conocida como espectroscopia de peine de frecuencia, permite la toma de huellas dactilares moleculares y se puede utilizar para detectar productos químicos tóxicos en áreas industriales, implementar controles de seguridad ocupacional, o para monitorear el medio ambiente.

"La espectroscopia de doble peine es esta técnica aplicada con esteroides, "dice Avik Dutt, ex alumno del grupo de Lipson (ahora becario postdoctoral en Stanford) y autor principal del artículo. "Al mezclar dos peines de frecuencia en lugar de un solo peine, podemos aumentar la velocidad a la que se realizan las mediciones en miles de veces o más ".

El trabajo también demostró el intervalo de frecuencia más amplio de cualquier peine dual en chip, es decir, la diferencia entre los colores en el extremo de baja frecuencia y el extremo de alta frecuencia es la más grande. Este intervalo permite detectar una mayor variedad de productos químicos con el mismo dispositivo, y también facilita la identificación única de las moléculas:cuanto más amplia es la gama de colores en el peine, cuanto más amplia es la diversidad de moléculas que pueden ver los colores.

Espectrómetros convencionales de doble peine, que se han introducido durante la última década, son instrumentos de mesa voluminosos, y no portátil por su tamaño, costo, y complejidad. A diferencia de, El peine doble a escala de chip de Columbia Engineering se puede transportar fácilmente y utilizar para detección y espectroscopia en entornos de campo en tiempo real.

"Ahora existe un camino para intentar integrar todo el dispositivo en un teléfono o un dispositivo portátil, "dice Gaeta, Profesor Rickey de Física Aplicada y Ciencia de Materiales.

Los investigadores miniaturizaron el peine dual colocando ambos generadores de peine de frecuencia en un solo chip de tamaño milimétrico. También utilizaron un solo láser para generar ambos peines, en lugar de los dos láseres utilizados en los peines dobles convencionales, lo que redujo la complejidad experimental y eliminó la necesidad de una electrónica complicada. Para producir anillos minúsculos (decenas de micrómetros de diámetro) que guían y mejoran la luz con una pérdida ultrabaja, el equipo utilizó nitruro de silicio, un material similar al vidrio que han perfeccionado específicamente para este propósito. Al combinar el nitruro de silicio con calentadores de platino, Pudieron sintonizar muy finamente los anillos y hacerlos trabajar en conjunto con el láser de entrada única.

"El nitruro de silicio es un material ampliamente utilizado en la industria de semiconductores a base de silicio que construye chips para computadoras / teléfonos inteligentes, "Notas de Lipson". aprovechando las capacidades de esta industria madura, podemos prever la fabricación confiable de estos chips de doble peine a gran escala a un bajo costo ".

Usando este peine doble, Los grupos de Lipson y Gaeta demostraron una espectroscopia en tiempo real del diclorometano químico a velocidades muy altas, en un amplio rango de frecuencias. Un solvente orgánico ampliamente utilizado, El diclorometano es abundante en las zonas industriales y en las emisiones de los humedales. El químico es cancerígeno, y su alta volatilidad presenta graves peligros por inhalación. El compacto de Columbia Engineering, El espectrómetro de doble peine a escala de chip pudo medir un amplio espectro de diclorometano en solo 20 microsegundos (hay 1, 000, 000 microsegundos en un segundo), una tarea que habría llevado al menos varios segundos con espectrómetros convencionales.

A diferencia de la mayoría de los espectrómetros, que se centran en la detección de gases, esta nueva, El espectrómetro miniaturizado es especialmente adecuado para líquidos y sólidos, que tienen características de absorción más amplias que los gases, el rango de frecuencias que absorben está más extendido. "Eso es lo que nuestro dispositivo es tan bueno para generar, "Explica Gaeta." Nuestros peines duales muy anchos tienen un espaciado moderado entre las líneas sucesivas del peine de frecuencia, en comparación con los espectrómetros de gas que pueden salirse con la suya con un peine dual menos ancho pero necesitan un espacio fino entre las líneas del peine ".

El equipo está trabajando para ampliar aún más el intervalo de frecuencia de los peines duales, y en aumentar la resolución del espectrómetro sintonizando las líneas del peine. En un artículo publicado el pasado mes de noviembre en Optics Letters, Los grupos de Gaeta y Lipson demostraron algunos pasos para mostrar una mayor resolución.

"También se podría imaginar la integración del láser de entrada en el chip para miniaturizar aún más el sistema, allanando el camino para comercializar esta tecnología en el futuro, "dice Dutt.