I ricercatori della Columbia Engineering hanno dimostrato, per la prima volta, uno spettrometro a doppio pettine basato su chip nella gamma del medio infrarosso, che non richiede parti in movimento e può acquisire spettri in meno di 2 microsecondi. Il sistema, che consiste di due reciprocamente coerenti, rumore basso, pettini di frequenza basati su microrisonatori che vanno da 2600 nm a 4100 nm, potrebbe portare allo sviluppo di un lab-on-a-chip di spettroscopia per il rilevamento in tempo reale su scala temporale dei nanosecondi.

"I nostri risultati mostrano la più ampia larghezza di banda ottica dimostrata per la spettroscopia a doppio pettine su una piattaforma integrata, " disse Alessandro Gaeta, David M. Rickey Professore di Fisica Applicata e di Scienza dei Materiali e autore senior dello studio, pubblicato il 14 maggio in Comunicazioni sulla natura .

Creazione di un dispositivo di rilevamento spettroscopico su un chip in grado di realizzare in tempo reale, il rilevamento ad alto rendimento di molecole in traccia è stato impegnativo. Qualche mese fa, squadre guidate da Gaeta e Michal Lipson, Higgins Professore di Ingegneria Elettrica, sono stati i primi a miniaturizzare i pettini a doppia frequenza inserendo due generatori di pettini di frequenza su un singolo chip di dimensioni millimetriche. Hanno lavorato per ampliare l'intervallo di frequenza dei doppi pettini, e sull'aumento della risoluzione dello spettrometro sintonizzando le linee del pettine.

In questo studio attuale, i ricercatori si sono concentrati sulla gamma del medio infrarosso (mid-IR), quale, perché il suo forte assorbimento molecolare è tipicamente 10 a 1, 000 volte maggiori di quelli nel visibile o nel vicino infrarosso, è ideale per rilevare molecole in tracce. La gamma mid-IR copre efficacemente l'"impronta digitale" di molte molecole.

Il team ha eseguito la spettroscopia a doppio pettine nel medio IR utilizzando due dispositivi nanofotonici al silicio come microrisonatori. I loro dispositivi integrati hanno consentito la generazione diretta di luce nel medio infrarosso a banda larga e velocità di acquisizione elevate per caratterizzare l'assorbimento molecolare.

"Il nostro lavoro è un progresso fondamentale per la spettroscopia a doppio pettine basata su chip per studi in fase liquida/solida, " disse Mengjie Yu, autore principale dell'articolo e un dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Gaeta. "Il nostro sistema ottico a banda larga su scala chip, essenzialmente un laboratorio fotonico su chip, è adatto per l'identificazione di specie chimiche e potrebbe trovare un'ampia gamma di applicazioni in chimica, biomedicina, scienza materiale, e controllo dei processi industriali."

Lo studio è intitolato "Spettroscopia a doppio pettine nel medio infrarosso basata su chip di silicio".