un, Allestimento sperimentale per TCS. PD, fotorilevatore. B, La generazione di un segnale FWM. Il primo impulso dal pettine 1 (blu), che è un complesso impulso coniugato in fase (E1*), crea una coerenza tra lo stato fondamentale e uno stato eccitato (l'evoluzione per una singola risonanza è mostrata in azzurro); il secondo impulso dal pettine 2 (nero) converte questa coerenza in una popolazione dello stato eccitato e quindi converte questa popolazione in una coerenza di terzo ordine che irradia un segnale FWM, che per un sistema allargato in modo disomogeneo è un eco di fotoni (rosso). Il segnale FWM viene quindi eterodinato con il pettine dell'oscillatore locale. E1*, E2 ed E3 sono i campi elettrici degli impulsi 1, 2 e 3, rispettivamente. e e g corrispondono agli stati fondamentale ed eccitato di un sistema a due livelli. Credito: Fotonica della natura (2018). DOI:10.1038/s41566-018-0267-4
I ricercatori dell'Università del Michigan hanno perfezionato un dispositivo per annusare i gas in modo che possa rilevare gas velenosi ed esplosivi in meno di mezzo secondo.
Il metodo basato sul laser potrebbe essere utilizzato come dispositivo di sicurezza negli aeroporti o per il monitoraggio di inquinanti o tossine nell'ambiente. Le scoperte dei fisici si basano su un metodo sviluppato l'anno scorso che rileva i gas in circa quattro o cinque minuti. Il dispositivo attuale utilizza tre laser per ridurre significativamente il tempo di rilevamento. La loro ricerca aggiornata è pubblicata in Fotonica della natura .
"Il grande vantaggio è che puoi eseguire questo rilevamento con un metodo molto più semplice, molto più compatto, dispositivo molto più robusto, e allo stesso tempo, puoi fare questo rilevamento molto più velocemente e con molto meno tempo di acquisizione, " ha detto Steven Cundiff, l'autore principale del progetto e Harrison M. Randall Professor of Physics presso il College of Literature, Scienza, e le Arti.
"Questo è fondamentale per rendere pratico il dispositivo. Se stai monitorando l'ambiente, è necessario farlo abbastanza rapidamente a causa delle fluttuazioni dell'ambiente. Non vorrai aspettare cinque minuti per capire se qualcosa contiene una tossina."
I gas hanno determinate lunghezze d'onda che possono essere lette utilizzando i laser. Il primo dispositivo di Cundiff e ricercatore in fisica, Bachana Lomsadze, utilizzava un metodo chiamato "spettroscopia coerente multidimensionale, " o MDCS. MDCS utilizza impulsi laser ultracorti per leggere queste lunghezze d'onda come codici a barre. La particolare lunghezza d'onda di un gas identifica il tipo di gas che è.
Molti gas hanno spettri molto ricchi per determinate lunghezze d'onda, o colori, di luce, sebbene i "colori" possano effettivamente essere nell'infrarosso, quindi non visibile all'occhio umano. Questi spettri li rendono facilmente identificabili. Ma questo diventa difficile quando gli scienziati cercano di identificare i gas in una miscela. Nel passato, gli scienziati si sono affidati alla verifica delle loro misurazioni rispetto a un catalogo di molecole, un processo che richiede computer ad alte prestazioni e una notevole quantità di tempo.
Il metodo precedente di Cundiff utilizzava MDCS con un altro metodo chiamato spettroscopia a doppio pettine per ridurre il tempo di rilevamento a quattro o cinque minuti. I pettini di frequenza sono sorgenti laser che generano spettri costituiti da linee nitide equidistanti. Queste linee sono usate come regole per misurare le caratteristiche spettrali di atomi e molecole, individuandoli con estrema precisione. Nella spettroscopia a doppio pettine, i laser inviano impulsi di luce in diversi modelli per scansionare rapidamente le impronte digitali dei gas.
Ora, Cundiff e Lomsadze hanno aggiunto un altro livello di rilevamento laser per ridurre ulteriormente il tempo di rilevamento, utilizzando un metodo che hanno soprannominato "spettroscopia a tre pettini". Questa è anche la prima volta che viene dimostrata la spettroscopia a tre pettini, dice Cundiff.
Il gruppo di ricerca ha aggiunto un terzo laser e ha accoppiato i laser con un software in grado di programmare il modello di impulsi luminosi emessi dai laser. I laser sono sincronizzati tra loro per generare impulsi luminosi in modo che i laser siano costantemente in scansione per identificare i gas.
Ecco come funziona il dispositivo:due laser inviano impulsi luminosi nella stessa direzione che si combinano in un unico raggio. Questo raggio passa attraverso un vapore gassoso, e dopo che il raggio passa attraverso il vapore, è combinato con il raggio di un terzo laser. Quindi, il raggio finale colpisce un rilevatore di segnale che misura gli spettri della miscela di gas e identifica i gas. Mentre questa dimostrazione ha utilizzato laser "autocostruiti" che non sono particolarmente compatti o robusti, laser equivalenti disponibili in commercio misurano circa 10 pollici per quattro pollici per due pollici.
Simile al loro lavoro dell'anno scorso, Lomsadze e Cundiff hanno testato il loro metodo in un vapore di atomi di rubidio che conteneva due isotopi di rubidio. La differenza di frequenza tra le linee di assorbimento per i due isotopi è troppo piccola per essere osservata utilizzando approcci tradizionali a MDCS, ma usando i pettini, Lomsadze e Cundiff sono stati in grado di risolvere queste righe e assegnare gli spettri degli isotopi in base a come i livelli di energia erano accoppiati tra loro. Il loro metodo è generale e può essere utilizzato per identificare le sostanze chimiche in una miscela senza conoscere preventivamente la composizione della miscela.
Cundiff spera di implementare il dispositivo nella tecnologia in fibra ottica esistente, e controllare gli impulsi laser con il software. Quel modo, il software può essere adattato ad ambienti particolari.
"Questo è un passo verso l'obiettivo della spettroscopia riconfigurabile via software, " Ha detto Cundiff. "Questo è simile alla tecnologia radio riconfigurabile software, in cui lo stesso hardware può essere utilizzato per diverse applicazioni, come un telefono cellulare o un ricevitore FM, semplicemente caricando software diverso."
