Una tecnica basata su laser in grado di scansionare e agganciare segnali vibrazionali molecolari che normalmente sono troppo complessi per essere risolti in modo chiaro potrebbe consentire la produzione di sensori per l'identificazione multispecie in ambienti difficili, comprese le emissioni industriali.

Le caratteristiche primaverili dei legami chimici fanno sì che le molecole si muovano e ruotino quando stimolate dalla luce infrarossa. I modelli risultanti da queste eccitazioni possono identificare in modo univoco sostanze, in particolare nella regione delle impronte digitali, una banda di frequenza che copre lo spettro del medio infrarosso. In ambienti realistici, però, le vibrazioni nella regione dell'impronta digitale diventano sfocate e difficili da risolvere a causa della sovrapposizione dei segnali.

Un modo per rilevare le firme molecolari individuali è con laser ad alta precisione, ma queste sorgenti luminose normalmente operano a frequenze fisse o scansionano una gamma di frequenze molto limitata nella banda del medio infrarosso. Ora, un gruppo di ricerca, tra cui Bidoor AlSaif e Aamir Farooq di KAUST, riferisce di aver superato queste restrizioni con un laser sintonizzabile che può essere calibrato attraverso linee ottiche equidistanti note come pettini di frequenza.

I laser a cascata quantica utilizzano transizioni tunnel tra nanostrutture fabbricate per generare luce nel medio infrarosso. Costruendo i dispositivi in ​​modo che l'amplificazione ottica avvenga in un ambiente esterno, cavità controllata da specchio, le emissioni di frequenza possono coprire l'intera regione delle impronte digitali. L'implementazione di queste funzionalità negli spettrometri che scansionano e registrano le vibrazioni molecolari è stata ostacolata, però, dal rumore elettrico naturale degli elettroni tunnel.

"I laser a cascata quantistica a cavità esterna tendono ad avere un comportamento di jitter elevato, che è problematico per le applicazioni di spettroscopia di precisione, " spiega AlSaif. "Ecco perché abbiamo sviluppato un'idea per bloccare il laser a cascata quantica nel medio infrarosso a un pettine di frequenza nel vicino infrarosso".

Il team KAUST e i colleghi dall'Italia hanno combinato l'emissione di laser a cascata quantica e pettine di frequenza utilizzando un processo ottico non lineare chiamato generazione di frequenza somma che appare solo quando due fotoni interagiscono fortemente. Gli effetti di jitter potrebbero essere stabilizzati monitorando i segnali delle note di battuta causati dalle differenze nelle frequenze ottiche tra il pettine di frequenza e il raggio calibrato.

Per dimostrare le potenziali applicazioni dello spettrometro, i ricercatori hanno testato il dispositivo su gas di protossido di azoto (N2O), una componente atmosferica legata sia alla riduzione dell'ozono che al riscaldamento globale. Il superamento dei limiti del jitter sistematico ha fornito una sorprendente risoluzione molecolare:sono stati osservati anche deboli segnali di rotazione che si verificano quando N2O assorbe la luce, sovrapposti alle impronte digitali vibrazionali.

"I dati spettroscopici accurati sono molto scarsi nella gamma del medio infrarosso, " afferma Farooq. "Questo tipo di dispositivo ha l'opportunità non solo di eseguire ampie indagini spettrali, ma sarà anche molto utile nei sensori ottici."