Nuestros ojos son sensibles a solo tres bandas de colores espectrales (rojo, verde, azul), y la gente ya no puede distinguir los colores si se vuelve muy oscuro. Los espectroscopistas pueden identificar muchos más colores por las frecuencias de las ondas de luz y pueden distinguir átomos y moléculas por sus huellas digitales espectrales. En un experimento de prueba de principio, Nathalie Picqué y Theodor Hänsch del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica (MPQ) y la Universidad Ludwig-Maximilian (LMU) ahora han registrado amplios espectros con cerca de 100, 000 colores en una oscuridad casi total. El experimento emplea dos láseres de femtosegundos de modo bloqueado y un detector de conteo de fotones único. Los resultados acaban de publicarse en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Un láser de femtosegundo de modo bloqueado emite cientos de miles de líneas espectrales nítidas que están espaciadas uniformemente en frecuencia. Estos peines de frecuencia láser se utilizan ahora ampliamente para contar las oscilaciones de una onda láser y sirven como mecanismos de relojería en relojes atómicos ópticos. La técnica del peine de frecuencia se destacó cuando se otorgó el Premio Nobel de Física 2005 a Theodor Hänsch y John L. Hall.

Durante los últimos 15 años, Nathalie Picqué en el MPQ ha aprovechado los peines de frecuencia para nuevos enfoques de la espectroscopia óptica de banda ancha. En su técnica de espectroscopia de doble peine, todas las líneas de peine de un láser interrogan una muestra simultáneamente en un amplio rango espectral, y las líneas de peine de un segundo láser con un espaciado ligeramente diferente interfieren en un fotodetector rápido para la lectura. Pares de líneas de peine, uno de cada láser, Produce notas de ritmo de radiofrecuencia en la señal del detector. Estas señales de radiofrecuencia pueden ser digitalizadas y procesadas por una computadora. Cualquier estructura espectral óptica en la muestra reaparece como un patrón correspondiente en el peine de señales de radiofrecuencia. Las señales ópticas se ralentizan efectivamente en un factor grande igual a la frecuencia de repetición del láser dividida por la diferencia en las frecuencias de repetición. Las ventajas únicas de esta poderosa herramienta espectroscópica incluyen una resolución espectral virtualmente ilimitada, posible calibración con un reloj atómico, y adquisición altamente consistente de espectros complejos sin necesidad de escanear o partes mecánicamente móviles.

Picqué y Hänsch han demostrado ahora que la espectroscopía de doble peine se puede extender a intensidades de luz extremadamente bajas en el régimen de conteo de fotones. Las señales de interferencia se pueden observar en las estadísticas de los clics del detector de conteo de fotones, incluso si la potencia es tan baja que solo se registra un clic durante el tiempo de 2000 pulsos de láser, de media. Bajo tales circunstancias, es extremadamente improbable que dos fotones, uno de cada láser, están presentes en la ruta de detección al mismo tiempo. El experimento no se puede explicar intuitivamente si se supone que existe un fotón antes de la detección.

La capacidad de trabajar a intensidades de luz mil millones de veces más bajas que las empleadas habitualmente abre nuevas e intrigantes perspectivas para la espectroscopia de doble peine. Nathalie Picqué dice:"El método ahora puede extenderse a regiones espectrales donde están disponibles fuentes de peine de frecuencia más débiles, como la región ultravioleta extrema o de rayos X suaves. Las señales espectroscópicas se pueden adquirir a través de materiales altamente atenuantes o mediante retrodispersión a grandes distancias. Y se vuelve factible extraer espectros de doble peine de muestras nanoscópicas hasta átomos o moléculas individuales, que producen sólo débiles señales de fluorescencia ".

Theodor Hänsch recuerda el momento en el laboratorio en el que surgió por primera vez un patrón de interferencia en las estadísticas de clics de los detectores:"Me sentí emocionado. Incluso después de trabajar en espectroscopía láser durante más de 50 años, Me parecía bastante contrario a la intuición que los fotones detectados individuales pudieran 'ser conscientes' de los dos láseres con su gran número de líneas de peine y del espectro complejo de una muestra ".