Las narices sensibles de los animales pueden olfatear partículas traza, como compuestos orgánicos volátiles, en el aire ambiente. Los humanos, por otro lado, están desarrollando tecnologías innovadoras para este propósito, como la espectroscopia óptica. Este utiliza luz láser para detectar la composición molecular de los gases. Abre la posibilidad de incluso superar estos éxitos de "olor", también para sustancias que las narices de los animales no pueden percibir en absoluto.

Hoy, el "poder olfativo" de la espectroscopia aún no explota su potencial. El principio detrás de esto es que si las moléculas se irradian con luz láser, comienzan a vibrar de forma característica y también emiten luz. Sin embargo, a bajas concentraciones, esta emisión es muy débil. Un grupo de científicos dirigido por el PD Dr. Ioachim Pupeza en el equipo attoworld de Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ), en colaboración con científicos de la Universidad de Columbia Británica y Leibniz Institute for Photonic Technologies en Jena, ahora está demostrando una forma de amplificar la radiación de las moléculas que sigue a la excitación, mejorando significativamente el "sentido del olfato" de la espectroscopia láser molecular. Su estudio fue publicado en Nature Photonics .

Cuando un músico toca una cuerda de guitarra, esta comienza a vibrar y emite un tono con un tono, timbre y modulación característicos del instrumento. Lo mismo sucede cuando una molécula de gas es "golpeada" por un pulso láser ultracorto:absorbe parte de la energía del pulso láser. Sus átomos comienzan a vibrar. En lugar de una onda de sonido, la molécula emite una forma de onda óptica característica que puede detectarse espectroscópicamente. Esta forma de onda contiene información sobre la composición molecular del gas. Desafortunadamente, esta "música de las moléculas" es muy suave. Esto se debe a que solo una pequeña fracción de la energía contenida en el pulso se convierte en ondas de luz que decaen lentamente y que contienen esta valiosa información.

Pulsos de láser superpuestos temporalmente

Investigadores del equipo de attoworld en MPQ y LMU, en colaboración con científicos de la Universidad de Columbia Británica y el Instituto Leibniz de Tecnologías Fotónicas en Jena, ahora han encontrado una manera de amplificar las respuestas moleculares a la repetición de pulsos láser ultracortos en el llamado molecular región espectral de la huella dactilar. En la región espectral de la huella dactilar, las moléculas orgánicas tienen sus resonancias características. Para ello, los físicos enviaron los pulsos a un resonador óptico lleno de gas. En el resonador, el haz de pulsos de láser vuelve a sí mismo a través de varios espejos, de modo que los pulsos comienzan a superponerse temporalmente con sus predecesores y sucesores. Esto amplifica los pulsos y las respuestas moleculares. Ahora, por primera vez, los físicos láser de attoworld han acoplado estas formas de onda ópticas de respuestas moleculares mejoradas de la cavidad y las han muestreado con espectroscopia de resolución de campo.

Antes de que esto fuera posible, hubo que superar una serie de desafíos. "Hasta ahora, los resonadores ópticos pasivos solo podían cubrir anchos de banda de menos del 20% de la frecuencia óptica central y funcionaban principalmente en longitudes de onda del infrarrojo cercano", explica Philipp Sulzer, uno de los autores principales del estudio.

"Sin embargo, para cubrir una porción significativa del rango de huellas dactilares en el infrarrojo medio, tuvimos que repensar qué elementos ópticos y mecanismos de bloqueo podrían usarse para construir la cavidad. Además, los pulsos ultracortos para la espectroscopia resuelta en campo no deben cambiar. su forma de onda durante una órbita a través del resonador", agrega Maximilian Högner, el otro autor principal del estudio. Finalmente, los físicos del láser encontraron una configuración que constaba de cuatro espejos revestidos de oro, aire con control de humedad y una placa de diamante en forma de cuña para acoplar la luz dentro y fuera del resonador. Su enfoque permite una mejora de la energía contenida en la respuesta molecular que sigue a la excitación impulsiva por un factor de más de 500.

Aumenta las posibilidades de detectar enfermedades de forma fiable

"La nueva configuración de medición combina nuestro trabajo anterior sobre cavidades de mejora con nuestra experiencia en espectroscopia resuelta en campo. Los resultados abren perspectivas para la espectroscopia de gas de banda ancha con sensibilidades de uno a un billón de partículas. Al mismo tiempo, debido a la absorción comparativamente estrecha líneas en la fase gaseosa, la técnica ofrece un alto potencial para mezclas de gases complejas como el aliento humano, en el que algunos componentes están presentes en concentraciones muy altas, pero algunos en concentraciones muy bajas", explica Ioachim Pupeza. "Nuestro nuevo enfoque aumenta las posibilidades de detectar enfermedades de manera confiable a través de la respiración humana en el futuro y, por lo tanto, proporciona, por ejemplo, nuevos métodos no invasivos para monitorear terapias". + Explora más

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