I gas nell'ambiente possono essere sondati spettroscopicamente in modo rapido e preciso utilizzando i cosiddetti pettini a doppia frequenza. I ricercatori dell'ETH hanno ora sviluppato un metodo con cui tali pettini di frequenza possono essere creati in modo molto più semplice ed economico rispetto a prima.

A differenza della luce emessa da una semplice lampada, la luce laser ha una frequenza definita in modo molto preciso. Questo lo rende ideale per indagini spettroscopiche, in cui le proprietà delle sostanze sono determinate in base alle frequenze alle quali assorbono la luce. Un'analisi spettroscopica completa richiede in genere un po' di pazienza, poiché la frequenza del laser deve essere modificata gradualmente ("scansionata") per ottenere uno spettrogramma completo. Un gruppo di fisici dell'ETH di Zurigo guidato da Ursula Keller presso l'Istituto per l'elettronica quantistica ha ora dimostrato un metodo seminale che potrebbe portare a indagini spettroscopiche più semplici e veloci in futuro. Per quello scopo, hanno sviluppato una nuova tecnica per creare i cosiddetti pettini a doppia frequenza. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista scientifica Scienza .

Un righello fatto di luce

Considerando che un normale laser emette luce ad una frequenza, un pettine di frequenza presenta un gran numero di frequenze a una distanza costante l'una dall'altra, proprio come i segni su un righello. Ciò è reso possibile dall'utilizzo di laser che creano impulsi di luce periodici estremamente brevi. Tali treni di impulsi hanno uno spettro di frequenza a pettine, che può essere ulteriormente ampliato utilizzando particolari materiali ottici. Nel 2005 è stato assegnato il Premio Nobel per la spettroscopia di precisione basata su laser, compresa la tecnica del pettine a frequenza ottica, a cui Ursula Keller in collaborazione con Harald Telle di PTB Braunschweig ha inventato la tecnologia chiave abilitante per la stabilizzazione del pettine nel 1999.

In linea di principio si potrebbe sondare una sostanza contemporaneamente con molte frequenze usando un tale pettine di frequenza. Nella spettroscopia ordinaria una parte della luce laser viene inviata attraverso il materiale da studiare, e l'altra parte è usata come riferimento. La frequenza del laser è ora costantemente scansionata, e contemporaneamente si misura l'assorbimento della luce laser da parte della sostanza rispetto al raggio di riferimento mediante due fotorivelatori. Da questa scansione di frequenza si ottiene lo spettrogramma caratteristico della sostanza. Sfortunatamente, questa procedura non può essere applicata direttamente a un pettine di frequenza. Le diverse frequenze contenute contemporaneamente nel pettine verrebbero sicuramente assorbite diversamente. Il fotorilevatore, però, non saprebbe distinguerli. Fare così, dovrebbe registrare direttamente l'individuo, oscillazioni sovrapposte della luce, quale, però, è impossibile in pratica a causa della loro alta frequenza di diverse centinaia di Terahertz (mille miliardi di oscillazioni al secondo).

Il trucco dell'accordatore di pianoforti

La tecnica sviluppata da Keller e dai suoi collaboratori "traduce" queste oscillazioni veloci e non direttamente misurabili in oscillazioni molto più lente che possono essere facilmente rilevate con l'elettronica convenzionale. Questa procedura si basa su un trucco che viene utilizzato in una forma simile dagli accordatori di pianoforti. Per ottenere un'accordatura uguale dei diversi accordi dello stesso tono un accordatore di pianoforti utilizza il battito prodotto dalla sovrapposizione di due frequenze diverse. Il battito pulsa ad una velocità che corrisponde alla differenza delle due frequenze sovrapposte.

I ricercatori dell'ETH usano un metodo molto simile in cui creano un secondo pettine di frequenza, le cui frequenze hanno una spaziatura leggermente diversa da quelle della prima. Questo crea coppie di frequenze, ognuno dei quali si traduce in una frequenza di battimento leggermente diversa. Queste frequenze di battimento sono ora nel regime dei Megahertz e possono essere facilmente misurate utilizzando fotorivelatori.

Due pettini di frequenza al prezzo di uno

Questo tipo di spettroscopia a doppio pettine è in circolazione da alcuni anni, ma la tecnica ora sviluppata all'ETH la rende notevolmente più semplice e meno costosa, nel ruolo di Sandro Link, Dottorando e primo autore del paper, spiega:"La vera novità è che creiamo i due pettini di frequenza con un solo laser invece di due, che dovrebbero essere scrupolosamente stabilizzati l'uno rispetto all'altro." Il trucco che usano consiste in un cristallo birifrangente che viene inserito in un laser, che fa sì che la luce percorra distanze leggermente diverse a seconda della sua polarizzazione (cioè, direzione di oscillazione dell'onda elettromagnetica). Come conseguenza, i due raggi laser così prodotti hanno periodi di impulso leggermente diversi, che a sua volta porta a pettini di frequenza con spaziature di frequenza diverse. Poiché i due pettini di frequenza sono creati dallo stesso laser, stabilizzarli l'uno contro l'altro diventa superfluo.

Si presentano una serie di possibili applicazioni della nuova tecnologia. Poiché consente di produrre uno spettrogramma completo in meno di un millesimo di secondo, è ideale per misurare la concentrazione di sostanze nell'ambiente o negli scarichi delle fabbriche. Anche i gas a flusso rapido negli ambienti petrolchimici potrebbero essere analizzati rapidamente, ad esempio per monitorare e controllare i processi produttivi.