In un nuovo articolo pubblicato oggi in Progressi scientifici , i ricercatori sotto la direzione dei professori di ingegneria della Columbia Michal Lipson e Alexander Gaeta (Fisica applicata e matematica applicata) hanno miniaturizzato i pettini a doppia frequenza posizionando due generatori di pettini di frequenza su un singolo chip di dimensioni millimetriche.

"Questa è la prima volta che un doppio pettine viene generato su un singolo chip utilizzando un singolo laser, "dice Lipson, Higgins Professore di Ingegneria Elettrica.

Un pettine di frequenza è un tipo speciale di raggio di luce con molte frequenze diverse, o "colori, " tutti distanziati l'uno dall'altro in modo estremamente preciso. Quando questa luce multicolore viene inviata attraverso un campione chimico, alcuni colori vengono assorbiti dalle molecole del campione. Osservando quali colori sono stati assorbiti, si possono identificare in modo univoco le molecole nel campione con elevata precisione. Questa tecnica, nota come spettroscopia a pettine di frequenza, consente il fingerprinting molecolare e può essere utilizzato per rilevare sostanze chimiche tossiche nelle aree industriali, attuare controlli di sicurezza sul lavoro, o per monitorare l'ambiente.

"La spettroscopia a doppio pettine è questa tecnica applicata agli steroidi, "dice Avik Dutt, ex studente del gruppo di Lipson (ora borsista post-dottorato a Stanford) e autore principale dell'articolo. "Mescolando due pettini di frequenza invece di un singolo pettine, possiamo aumentare la velocità con cui vengono effettuate le misurazioni di migliaia di volte o più."

Il lavoro ha anche dimostrato l'intervallo di frequenza più ampio di qualsiasi doppio pettine su chip, ovvero, la differenza tra i colori sull'estremità a bassa frequenza e l'estremità ad alta frequenza è la più grande. Questo intervallo consente di rilevare una maggiore varietà di sostanze chimiche con lo stesso dispositivo, e facilita inoltre l'identificazione univoca delle molecole:più ampia è la gamma di colori nel pettine, più ampia è la diversità delle molecole che possono vedere i colori.

Spettrometri convenzionali a doppio pettine, introdotte nell'ultimo decennio, sono ingombranti strumenti da tavolo, e non portatili a causa delle loro dimensioni, costo, e complessità. In contrasto, il doppio pettine a scala di chip Columbia Engineering può essere facilmente trasportato e utilizzato per il rilevamento e la spettroscopia in ambienti di campo in tempo reale.

"Ora c'è un percorso per provare a integrare l'intero dispositivo in un telefono o in un dispositivo indossabile, "dice Gaeta, Rickey Professore di Fisica Applicata e di Scienza dei Materiali.

I ricercatori hanno miniaturizzato il doppio pettine mettendo entrambi i generatori di pettini di frequenza su un singolo chip di dimensioni millimetriche. Hanno anche usato un singolo laser per generare entrambi i pettini, piuttosto che i due laser utilizzati nei doppi pettini convenzionali, che ha ridotto la complessità sperimentale e rimosso la necessità di elettronica complicata. Per produrre anelli minuscoli (decine di micrometri di diametro) che guidano e migliorano la luce con una perdita ultrabassa, il team ha utilizzato nitruro di silicio, un materiale simile al vetro che hanno perfezionato appositamente per questo scopo. Combinando il nitruro di silicio con riscaldatori al platino, sono stati in grado di sintonizzare molto finemente gli anelli e farli funzionare in tandem con il laser a ingresso singolo.

"Il nitruro di silicio è un materiale ampiamente utilizzato nell'industria dei semiconduttori a base di silicio che costruisce chip per computer/smartphone, "Note Lipson. "Quindi, sfruttando le capacità di questo settore maturo, possiamo prevedere la fabbricazione affidabile di questi chip a doppio pettine su vasta scala a basso costo."

Usando questo doppio pettine, I gruppi di Lipson e Gaeta hanno dimostrato la spettroscopia in tempo reale del diclorometano chimico a velocità molto elevate, su un'ampia gamma di frequenze. Un solvente organico ampiamente utilizzato, il diclorometano è abbondante nelle aree industriali e nelle emissioni delle zone umide. La sostanza chimica è cancerogena, e la sua elevata volatilità pone acuti rischi di inalazione. compatto della Columbia Engineering, spettrometro a doppio pettine su scala di chip è stato in grado di misurare un ampio spettro di diclorometano in soli 20 microsecondi (ce ne sono 1, 000, 000 microsecondi in un secondo), un compito che avrebbe richiesto almeno diversi secondi con gli spettrometri convenzionali.

A differenza della maggior parte degli spettrometri, che si concentrano sulla rilevazione di gas, questo nuovo, spettrometro miniaturizzato è particolarmente adatto per liquidi e solidi, che hanno caratteristiche di assorbimento più ampie rispetto ai gas? la gamma di frequenze che assorbono è più ampia. "Questo è ciò che il nostro dispositivo è così bravo a generare, " Spiega Gaeta. "I nostri pettini doppi molto larghi hanno una spaziatura moderata tra le righe successive del pettine di frequenza, rispetto agli spettrometri a gas che possono cavarsela con un doppio pettine meno ampio ma richiedono una spaziatura fine tra le linee del pettine."

Il team sta lavorando per ampliare ulteriormente l'intervallo di frequenza dei doppi pettini, e sull'aumento della risoluzione dello spettrometro sintonizzando le linee del pettine. In un articolo pubblicato lo scorso novembre su Optics Letters, I gruppi di Gaeta e Lipson hanno dimostrato alcuni passi verso una maggiore risoluzione.

"Si potrebbe anche immaginare di integrare il laser di input nel chip per miniaturizzare ulteriormente il sistema, aprendo la strada alla commercializzazione di questa tecnologia in futuro, "dice Dutt.