La espectroscopia ultravioleta desempeña un papel fundamental en el estudio de las transiciones electrónicas en átomos y las transiciones rovibrónicas en moléculas. Estos estudios son esenciales para pruebas de física fundamental, teoría de electrodinámica cuántica, determinación de constantes fundamentales, mediciones de precisión, relojes ópticos, espectroscopia de alta resolución en apoyo de la química y astrofísica atmosférica, y física de campos fuertes.
Los científicos del grupo de Nathalie Picqué en el Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica han dado un salto significativo en el campo de la espectroscopia ultravioleta al implementar con éxito la espectroscopia de doble peine de absorción lineal de alta resolución en el rango espectral ultravioleta. Este logro innovador abre nuevas posibilidades para realizar experimentos en condiciones de poca luz, allanando el camino para aplicaciones novedosas en diversos campos científicos y tecnológicos.
La espectroscopia de doble peine, una poderosa técnica para la espectroscopia precisa en amplios anchos de banda espectrales, se ha utilizado principalmente para la absorción lineal infrarroja de moléculas pequeñas en la fase gaseosa. Se basa en medir la interferencia dependiente del tiempo entre dos peines de frecuencia con frecuencias de repetición ligeramente diferentes.
Un peine de frecuencia es un espectro de líneas láser coherentes en fase y espaciadas uniformemente que actúa como una regla para medir la frecuencia de la luz con extrema precisión. La técnica de doble peine no sufre las limitaciones geométricas asociadas con los espectrómetros tradicionales y ofrece un gran potencial para una alta precisión y exactitud.
Sin embargo, la espectroscopia de doble peine normalmente requiere rayos láser intensos, lo que la hace menos adecuada para escenarios donde los bajos niveles de luz son críticos. El equipo de MPQ ha demostrado ahora experimentalmente que la espectroscopia de doble peine se puede emplear eficazmente en condiciones de escasez de luz a niveles de potencia más de un millón de veces más débiles que los utilizados habitualmente.
Este avance se logró utilizando dos configuraciones experimentales distintas con diferentes tipos de generadores de peine de frecuencia. El equipo desarrolló un interferómetro a nivel de fotones que registra con precisión las estadísticas del recuento de fotones, mostrando una relación señal-ruido en el límite fundamental. Este logro destaca el uso óptimo de la luz disponible para experimentos y abre la posibilidad de la espectroscopia de doble peine en escenarios desafiantes donde los niveles bajos de luz son esenciales.
Los investigadores del MPQ abordaron los desafíos asociados con la generación de peines de frecuencia ultravioleta y la construcción de interferómetros de doble peine con largos tiempos de coherencia, allanando el camino para avances en este codiciado objetivo. Controlaron de manera exquisita la coherencia mutua de dos láseres de peine con un femtovatio por línea de peine, demostrando una acumulación óptima de las estadísticas de conteo de su señal de interferencia en tiempos superiores a una hora.
"Nuestro enfoque innovador para la interferometría con poca luz supera los desafíos planteados por la baja eficiencia de la conversión de frecuencia no lineal y sienta una base sólida para extender la espectroscopia de doble peine a longitudes de onda aún más cortas", comenta Bingxin Xu, el científico postdoctoral que dirigió los experimentos.
De hecho, una aplicación futura interesante es el desarrollo de la espectroscopia de doble peine en longitudes de onda cortas para permitir una espectroscopia molecular precisa en vacío y ultravioleta extremo en amplios intervalos espectrales. Actualmente, la espectroscopia UV extrema de banda ancha tiene una resolución y precisión limitadas y depende de instrumentación única en instalaciones especializadas.
"La espectroscopia ultravioleta de doble peine, si bien es un objetivo desafiante, ahora se ha vuelto realista como resultado de nuestra investigación. Es importante destacar que nuestros resultados amplían todas las capacidades de la espectroscopia de doble peine a condiciones de poca luz, lo que abre nuevas aplicaciones en espectroscopia de precisión. , sensores biomédicos y sondeos atmosféricos ambientales", concluye Nathalie Picqué.
Los hallazgos se publican en la revista Nature. .
Más información: Bingxin Xu et al, Espectroscopia de doble peine con recuento de fotones ultravioleta cercano, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07094-9
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
