La spettroscopia ha radici nella curiosità dell'inizio del XIX secolo sulle interazioni tra materia e radiazione elettromagnetica. Grazie ai progressi nell'elettronica e nella scienza dei materiali, varie tecniche di spettroscopia sono ora abitualmente utilizzate per studiare la composizione dei materiali e la natura dei loro legami chimici analizzando come assorbono o riflettono le onde elettromagnetiche.

Materiali diversi hanno profili di assorbimento diversi su un'ampia gamma di frequenze. Alcune caratteristiche importanti in alcuni sistemi molecolari, come i legami idrogeno nei sistemi acquosi o l'autoassemblaggio delle proteine, si possono apprezzare nei loro profili di assorbimento solo a frequenze dell'ordine dei terahertz (THz, 1000 miliardi di Hertz), una gamma del vicino infrarosso. Gli scienziati hanno sviluppato attivamente tecniche di spettroscopia compatibili con frequenze così alte, e uno promettente si chiama spettroscopia a doppio pettine THz.

Sebbene questo metodo offra molti vantaggi rispetto ad altri nella gamma dei terahertz, il suo utilizzo è stato limitato a causa dell'elevata complessità del sistema di misura, che in genere richiede due laser stabili indipendenti come sorgenti di radiazione. Ora, ricercatori dell'Università di Tokushima, Giappone, Università di Beihang, Cina, e Université du Littoral Côte d'Opale, Francia, hanno riportato un nuovo schema per la spettroscopia a doppio pettine THz che richiede solo una singola sorgente laser pur fornendo una risoluzione eccezionale.

Per comprendere gli aspetti principali del loro metodo, aiuta a comprendere le basi della spettroscopia a doppio pettine THz. Il termine "doppio pettine" si riferisce al fatto che il laser pulsa, quando tracciato rispetto alla frequenza, sembrano una serie di picchi equidistanti (linee spettrali) su un'ampia gamma di frequenze nella regione dei terahertz, e quindi un "pettine". Nella spettroscopia a doppio pettine, due laser con "pettini" leggermente diversi vengono utilizzati per misurare il profilo di assorbimento di un campione. Data la natura del sistema, il segnale effettivamente misurato, che risulta dalla "mescolanza" dei due pettini, occupa una gamma di frequenze molto più bassa ma riflette ancora tutte le informazioni di interesse ad alta frequenza. L'uso di due laser, però, può causare un problema con il controllo di stabilizzazione.

Per affrontare il problema della stabilizzazione, i ricercatori hanno utilizzato un singolo laser per produrre i due pettini. Però, quando entrambi i pettini sono prodotti dalla stessa sorgente laser, un "jitter" o instabilità temporale offusca le informazioni ad alta frequenza riflesse nel segnale finale a bassa frequenza che viene misurato. Hanno corretto questo fenomeno indesiderabile usando una tecnica chiamata campionamento adattivo , per cui il segnale da acquisire digitalmente non viene campionato ad intervalli di tempo uguali ma a tempi specifici calcolati per minimizzare eventuali derive o errori nella relativa temporizzazione tra i pettini.

Per dimostrare il loro metodo, i ricercatori hanno effettuato misurazioni su una miscela di aria e il composto acetonitrile. Questo gas speciale mostra caratteristiche quando irradiato con radiazioni terahertz e, più importante, queste caratteristiche variano leggermente con la pressione. Poiché queste variazioni sono molto piccole, i precedenti approcci di spettroscopia a doppio pettine che utilizzavano un singolo laser non erano in grado di rilevarli a causa della loro risoluzione limitata. In contrasto, i ricercatori potrebbero utilizzare lo schema proposto in questo studio per osservare con precisione molte di queste caratteristiche. Riportano una larghezza di riga di assorbimento notevolmente ridotta (25 MHz), la prima ottenuta con un laser in fibra a doppio pettine.

I ricercatori stanno già lavorando su un'altra tecnica complementare che potrebbe spingere ulteriormente la risoluzione della spettroscopia a doppio pettine THz con un singolo laser. La riduzione della complessità del sistema derivante dal loro utilizzo della tecnica di campionamento adattivo potrebbe ampliare le aree di applicazione della spettroscopia THz precisa, fornendo agli scienziati uno strumento potente ma semplice per esplorare ulteriormente il mondo materiale.