La spettroscopia è un importante strumento di osservazione in molte aree della scienza e dell'industria. La spettroscopia a infrarossi è particolarmente importante nel mondo della chimica, dove viene utilizzato per analizzare e identificare le molecole. L'attuale metodo allo stato dell'arte può fare circa 1 milione di osservazioni al secondo. I ricercatori di UTokyo hanno ampiamente superato questa cifra con un nuovo metodo circa 100 volte più veloce.

Dalla scienza del clima ai sistemi di sicurezza, fabbricazione al controllo di qualità dei prodotti alimentari, la spettroscopia a infrarossi è utilizzata in così tanti campi accademici e industriali che è onnipresente, anche se invisibile, parte della vita quotidiana. In sostanza, la spettroscopia a infrarossi è un modo per identificare quali molecole sono presenti in un campione di una sostanza con un alto grado di precisione. L'idea di base esiste da decenni e ha subito miglioramenti lungo la strada.

Generalmente, La spettroscopia a infrarossi funziona misurando la luce infrarossa trasmessa o riflessa dalle molecole in un campione. Le vibrazioni intrinseche dei campioni alterano le caratteristiche della luce in modi molto specifici, essenzialmente fornendo un'impronta digitale chimica, o spettri, che viene letto da un rilevatore e da un circuito analizzatore o da un computer. Cinquant'anni fa i migliori strumenti potevano misurare uno spettro al secondo, e per molte applicazioni questo era più che adeguato.

Più recentemente, una tecnica chiamata spettroscopia a doppio pettine ha raggiunto una velocità di misurazione di 1 milione di spettri al secondo. Però, in molti casi, sono necessarie osservazioni più rapide per produrre dati a grana fine. Ad esempio, alcuni ricercatori desiderano esplorare le fasi di alcune reazioni chimiche che avvengono su scale temporali molto brevi. Questa spinta ha spinto il professore associato Takuro Ideguchi dell'Istituto per la scienza e la tecnologia dei fotoni, presso l'Università di Tokyo, e il suo team per esaminare e creare il sistema di spettroscopia a infrarossi più veloce fino ad oggi.

"Abbiamo sviluppato lo spettrometro a infrarossi più veloce al mondo, che funziona a 80 milioni di spettri al secondo, " disse Ideguchi. "Questo metodo, spettroscopia infrarossa di allungamento del tempo, è circa 100 volte più veloce della spettroscopia a doppio pettine, che aveva raggiunto un limite massimo di velocità a causa di problemi di sensibilità." Dato che ci sono circa 30 milioni di secondi in un anno, questo nuovo metodo può raggiungere in un secondo ciò che 50 anni fa avrebbe richiesto più di due anni.

La spettroscopia infrarossa di allungamento temporale funziona allungando un impulso molto breve di luce laser trasmessa da un campione. Quando l'impulso trasmesso viene allungato, diventa più facile per un rivelatore e il relativo circuito elettronico analizzare accuratamente. Un componente chiave ad alta velocità che lo rende possibile è qualcosa chiamato rivelatore a cascata quantistica, sviluppato da uno degli autori dell'articolo, Tatsuo Dougakiuchi di Hamamatsu Photonics.

"La scienza naturale si basa su osservazioni sperimentali. Pertanto, nuove tecniche di misurazione possono aprire nuovi campi scientifici, " ha detto Ideguchi. "I ricercatori in molti campi possono basarsi su ciò che abbiamo fatto qui e utilizzare il nostro lavoro per migliorare la loro comprensione e capacità di osservazione".