Los pulsos de láser que duran meros femtosegundos (una cuadrillonésima parte de un segundo) se alargan hasta el rango de nanosegundos (una milmillonésima parte de un segundo). Crédito:© 2020 Ideguchi et al.
La espectroscopia es una importante herramienta de observación en muchas áreas de la ciencia y la industria. La espectroscopia infrarroja es especialmente importante en el mundo de la química, donde se utiliza para analizar e identificar moléculas. El método actual de última generación puede realizar aproximadamente 1 millón de observaciones por segundo. Los investigadores de UTokyo han superado en gran medida esta cifra con un nuevo método unas 100 veces más rápido.
Desde la ciencia del clima hasta los sistemas de seguridad, fabricación con control de calidad de productos alimenticios, La espectroscopia infrarroja se utiliza en tantos campos académicos e industriales que es un recurso omnipresente, aunque invisible, parte de la vida cotidiana. En esencia, La espectroscopia infrarroja es una forma de identificar qué moléculas están presentes en una muestra de una sustancia con un alto grado de precisión. La idea básica ha existido durante décadas y ha experimentado mejoras a lo largo del camino.
En general, La espectroscopia infrarroja funciona midiendo la luz infrarroja transmitida o reflejada por las moléculas de una muestra. Las vibraciones inherentes de las muestras alteran las características de la luz de formas muy específicas, esencialmente proporcionando una huella química, o espectros, que es leído por un circuito detector y analizador o una computadora. Hace cincuenta años, las mejores herramientas podían medir un espectro por segundo, y para muchas aplicaciones esto fue más que adecuado.
Más recientemente, una técnica llamada espectroscopia de doble peine logró una tasa de medición de 1 millón de espectros por segundo. Sin embargo, En muchas instancias, se requieren observaciones más rápidas para producir datos detallados. Por ejemplo, algunos investigadores desean explorar las etapas de ciertas reacciones químicas que ocurren en escalas de tiempo muy cortas. Este impulso llevó al profesor asociado Takuro Ideguchi del Instituto de Ciencia y Tecnología de Fotones, en la Universidad de Tokio, y su equipo para investigar y crear el sistema de espectroscopía infrarroja más rápido hasta la fecha.
La nueva herramienta consta de varios componentes ópticos, incluidos láseres, espejos lentes y detectores. Puede detectar longitudes de onda entre 4,4 y 4,9 micrómetros (milésimas de milímetro). Crédito:© 2020 Ideguchi et al.
"Desarrollamos el espectrómetro infrarrojo más rápido del mundo, que corre a 80 millones de espectros por segundo, "dijo Ideguchi." Este método, espectroscopia infrarroja de tiempo prolongado, es aproximadamente 100 veces más rápido que la espectroscopia de doble peine, que había alcanzado un límite de velocidad superior debido a problemas de sensibilidad ". Dado que hay alrededor de 30 millones de segundos en un año, este nuevo método puede lograr en un segundo lo que hace 50 años hubiera requerido más de dos años.
La espectroscopia infrarroja de extensión temporal funciona estirando un pulso muy corto de luz láser transmitida desde una muestra. A medida que se estira el pulso transmitido, se vuelve más fácil para un detector y los circuitos electrónicos que lo acompañan analizar con precisión. Un componente clave de alta velocidad que lo hace posible es algo llamado detector de cascada cuántica, desarrollado por uno de los autores del artículo, Tatsuo Dougakiuchi de Hamamatsu Photonics.
"Las ciencias naturales se basan en observaciones experimentales. Por lo tanto, las nuevas técnicas de medición pueden abrir nuevos campos científicos, ", dijo Ideguchi." Los investigadores en muchos campos pueden aprovechar lo que hemos hecho aquí y utilizar nuestro trabajo para mejorar su propia comprensión y capacidad de observación ".
