La maggior parte dei laser emette fotoni della stessa lunghezza d'onda, producendo un unico colore. Però, ci sono anche laser che consistono di molte frequenze, con intervalli uguali in mezzo, come nei denti di un pettine; così, sono indicati come "pettini di frequenza". I pettini di frequenza sono perfetti per rilevare una varietà di sostanze chimiche.

A TU Wien (Vienna), questo speciale tipo di luce laser comprende un laboratorio di chimica in formato millimetrico. Con questa nuova tecnologia in attesa di brevetto, i pettini di frequenza possono essere creati su un singolo chip in modo molto semplice e robusto. Questo lavoro è stato ora presentato sulla rivista Fotonica della natura .

I pettini di frequenza esistono da anni. Nel 2005, l'innovazione ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica. "La cosa eccitante di loro è che è relativamente facile costruire uno spettrometro con due pettini di frequenza, " spiega Benedikt Schwarz, chi dirige il progetto di ricerca. "È possibile utilizzare battiti tra diverse frequenze, simili a quelli che si verificano in acustica, se ascolti due toni diversi con frequenza simile. Usiamo questo nuovo metodo, perché non richiede parti in movimento e ci consente di sviluppare un laboratorio di chimica in miniatura su scala millimetrica."

All'Università di Tecnologia di Vienna, i pettini di frequenza sono prodotti con laser a cascata quantica. Questi laser speciali sono strutture a semiconduttore costituite da molti strati. Quando la corrente elettrica viene inviata attraverso la struttura, il laser emette luce nel raggio dell'infrarosso. Le proprietà della luce possono essere controllate regolando la geometria della struttura del livello.

"Con l'aiuto di un segnale elettrico di una frequenza specifica, possiamo controllare i nostri laser a cascata quantica e farli emettere una serie di frequenze luminose, che sono tutti accoppiati insieme, "dice Johannes Hillbrand, primo autore della pubblicazione. Il fenomeno ricorda le oscillazioni su un telaio a dondolo, invece di spingere le singole oscillazioni, si può far vacillare l'impalcatura alla giusta frequenza, facendo oscillare tutte le oscillazioni in determinati schemi accoppiati.

"Il grande vantaggio della nostra tecnologia è la robustezza del pettine di frequenza, " dice Benedikt Schwarz. Senza questa tecnica, i laser sono estremamente sensibili ai disturbi, che sono inevitabili al di fuori del laboratorio, come fluttuazioni di temperatura, o riflessi che rimandano parte della luce nel laser. "La nostra tecnologia può essere realizzata con pochissimo sforzo ed è quindi perfetta per applicazioni pratiche anche in ambienti difficili. In sostanza, i componenti di cui abbiamo bisogno possono essere trovati in ogni telefono cellulare, "dice Schwarz.

Il fatto che il laser a cascata quantica generi un pettine di frequenza nella gamma dell'infrarosso è cruciale, perché molte delle molecole più importanti possono essere rilevate al meglio dalla luce in questa gamma di frequenze. "Vari inquinanti atmosferici, ma anche biomolecole, che svolgono un ruolo importante nella diagnostica medica, assorbono frequenze di luce infrarossa molto specifiche. Questo è spesso indicato come l'impronta digitale ottica della molecola, "spiega Johannes Hillbrand. "Quindi, quando misuriamo, quali frequenze infrarosse sono assorbite da un campione di gas, possiamo dire esattamente quali sostanze contiene."

Misure nel microchip

"Per la sua robustezza, il nostro sistema ha un vantaggio decisivo rispetto a tutte le altre tecnologie a pettine di frequenza:può essere facilmente miniaturizzato, " afferma Benedikt Schwarz. "Non abbiamo bisogno di sistemi di lenti, nessuna parte in movimento e nessun isolatore ottico, le strutture necessarie sono minuscole. L'intero sistema di misura può essere alloggiato su un chip in formato millimetrico."

Questo potrebbe avere applicazioni spettacolari:i chip installati su un drone potrebbero misurare gli inquinanti atmosferici, Per esempio. I chip attaccati al muro potrebbero cercare tracce di sostanze esplosive negli edifici. Potrebbero anche essere utilizzati nelle apparecchiature mediche per rilevare le malattie analizzando le sostanze chimiche nell'aria respiratoria.

"Altri gruppi di ricerca sono già molto interessati al nostro sistema. Speriamo che venga presto utilizzato non solo nella ricerca accademica, ma anche nelle applicazioni quotidiane, "dice Benedikt Schwarz.