Los peines de frecuencia óptica hacen que la espectroscopia ultravioleta sea más sensible y precisa

El desarrollo promete avances en varios campos científicos y tecnológicos

18.03.2024

En una reciente publicación en Nature, investigadores del Instituto Max Born (MBI) de Berlín (Alemania) y del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica de Garching informan sobre una nueva técnica para descifrar las propiedades de la materia con luz, que puede detectar simultáneamente y cuantificar con precisión muchas sustancias con una alta selectividad química. Su técnica interroga a los átomos y moléculas en la región espectral ultravioleta con niveles de luz muy débiles. Utilizando dos peines ópticos de frecuencia y un contador de fotones, los experimentos abren interesantes perspectivas para realizar espectroscopia de doble peine en condiciones de poca luz y allanan el camino para nuevas aplicaciones de diagnóstico a nivel de fotones, como la espectroscopia de precisión de átomos o moléculas individuales para pruebas fundamentales de física y fotoquímica ultravioleta en la atmósfera terrestre o desde telescopios espaciales.

La espectroscopia ultravioleta desempeña un papel fundamental en el estudio de las transiciones electrónicas de los átomos y las transiciones rovibrónicas de las moléculas. Estos estudios son esenciales para las pruebas de la física fundamental, la teoría de la electrodinámica cuántica, la determinación de las constantes fundamentales, las mediciones de precisión, los relojes ópticos, la espectroscopia de alta resolución en apoyo de la química atmosférica y la astrofísica, y la física de campo fuerte. Los científicos del grupo de Nathalie Picqué han dado ahora un salto significativo en el campo de la espectroscopia ultravioleta al aplicar con éxito la espectroscopia de absorción lineal y doble peine de alta resolución en el rango espectral ultravioleta. Este logro pionero abre nuevas posibilidades para la realización de experimentos en condiciones de escasa iluminación, allanando el camino para nuevas aplicaciones en diversos campos científicos y tecnológicos.

La espectroscopia de doble peine, una potente técnica de espectroscopia precisa en anchos de banda espectrales amplios, se ha utilizado principalmente para la absorción lineal en el infrarrojo de pequeñas moléculas en fase gaseosa. Se basa en la medición de la interferencia dependiente del tiempo entre dos peines de frecuencias con frecuencias de repetición ligeramente diferentes. Un peine de frecuencias es un espectro de líneas láser uniformemente espaciadas y coherentes en fase, 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 a los espectrómetros tradicionales y ofrece un gran potencial de precisión y exactitud.

Sin embargo, la espectroscopia de doble peine suele requerir rayos láser intensos, lo que la hace menos adecuada para situaciones en las que los niveles bajos de luz son críticos. El equipo ha demostrado ahora experimentalmente que la espectroscopia de doble peine puede emplearse eficazmente en condiciones de luz escasa, con niveles de potencia más de un millón de veces inferiores a los habituales. Este avance se logró utilizando dos montajes experimentales distintos con diferentes tipos de generadores de frecuencia de peine. El equipo desarrolló un interferómetro de nivel fotónico que registra con precisión las estadísticas del recuento de fotones, mostrando una relación señal-ruido en el límite fundamental. Este logro pone de relieve el uso óptimo de la luz disponible para los experimentos y abre la perspectiva de la espectroscopia de doble peine en escenarios difíciles en los que son esenciales niveles bajos de luz.

Los investigadores abordaron los retos asociados a la generación de peines de frecuencias ultravioletas y a la construcción de interferómetros de doble peine con tiempos de coherencia largos, allanando el camino para avanzar en este codiciado objetivo. Controlaron exquisitamente la coherencia mutua de dos láseres de peine con un femtovatio por línea de peine, demostrando una acumulación óptima de las estadísticas de recuento de su señal de interferencia durante tiempos superiores a una hora. "Nuestro innovador enfoque de la interferometría de baja luminosidad supera los retos planteados por la baja eficiencia de la conversión de frecuencia no lineal y sienta una base sólida para ampliar la espectroscopia de doble peine a longitudes de onda aún más cortas", comenta Bingxin Xu, el científico posdoctoral que dirigió los experimentos.

De hecho, una de las aplicaciones futuras más atractivas es el desarrollo de la espectroscopia de doble peine en longitudes de onda cortas, para permitir una espectroscopia molecular precisa en el vacío y en el ultravioleta extremo en amplios intervalos espectrales. En la actualidad, la espectroscopia ultravioleta extrema de banda ancha tiene una resolución y precisión limitadas, y depende de una instrumentación única en instalaciones especializadas. "La espectroscopia de doble peine en el ultravioleta, pese a ser un objetivo difícil, se ha convertido en una meta realista gracias a nuestra investigación. Y lo que es más importante, nuestros resultados amplían todas las capacidades de la espectroscopia de doble peine a condiciones de baja luminosidad, lo que abre nuevas aplicaciones en espectroscopia de precisión, detección biomédica y sondeo atmosférico medioambiental". Desde un punto de vista más personal, este hito es el resultado de un experimento realizado en el Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica y completado cuando yo ya había asumido mi cargo de director en el Instituto Max Born. No puedo imaginar una forma más emocionante de hacer la transición a un nuevo instituto. El MBI acogerá ahora nuestros próximos y apasionantes experimentos en este campo. ", concluye Nathalie Picqué. El desarrollo de la espectroscopia de doble peine en el rango de longitudes de onda cortas promete avances en varios campos científicos y tecnológicos, lo que subraya la importancia de este logro.

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