I nostri occhi sono sensibili solo a tre bande di colore spettrale (rosso, verde, blu), e le persone non possono più distinguere i colori se diventa molto scuro. Gli spettroscopisti possono identificare molti più colori dalle frequenze delle onde luminose e possono distinguere atomi e molecole dalle loro impronte spettrali. In un esperimento di prova di principio, Nathalie Picqué e Theodor Hänsch dell'Istituto Max-Planck di ottica quantistica (MPQ) e dell'Università Ludwig-Maximilian (LMU) hanno ora registrato ampi spettri con quasi 100, 000 colori nell'oscurità quasi completa. L'esperimento utilizza due laser a femtosecondi in modalità bloccata e un singolo rilevatore di conteggio dei fotoni. I risultati sono stati appena pubblicati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Un laser a femtosecondi in modalità bloccata emette centinaia di migliaia di righe spettrali nitide che sono distanziate uniformemente in frequenza. Tali pettini a frequenza laser sono ora ampiamente utilizzati per contare le oscillazioni di un'onda laser e fungono da meccanismi negli orologi atomici ottici. La tecnica del pettine di frequenza è stata evidenziata quando il Premio Nobel per la Fisica 2005 è stato assegnato a Theodor Hänsch e John L. Hall.

Negli ultimi 15 anni, Nathalie Picqué all'MPQ ha sfruttato i pettini di frequenza per nuovi approcci alla spettroscopia ottica a banda larga. Nella sua tecnica di spettroscopia a doppio pettine, tutte le linee del pettine di un laser interrogano un campione simultaneamente su un'ampia gamma spettrale, e le linee a pettine di un secondo laser con spaziatura leggermente diversa interferiscono su un fotorivelatore veloce per la lettura. Coppie di linee a pettine, uno da ogni laser, produrre note di battuta a radiofrequenza nel segnale del rilevatore. Questi segnali a radiofrequenza possono essere digitalizzati ed elaborati da un computer. Qualsiasi struttura spettrale ottica nel campione riappare come un modello corrispondente nel pettine dei segnali a radiofrequenza. I segnali ottici vengono effettivamente rallentati di un fattore elevato pari alla frequenza di ripetizione del laser divisa per la differenza nelle frequenze di ripetizione. I vantaggi unici di questo potente strumento spettroscopico includono una risoluzione spettrale virtualmente illimitata, possibile calibrazione con un orologio atomico, e l'acquisizione altamente coerente di spettri complessi senza la necessità di scansioni o parti in movimento meccanico.

Picqué e Hänsch hanno ora dimostrato che la spettroscopia a doppio pettine può essere estesa a intensità di luce estremamente basse nel regime di conteggio dei fotoni. I segnali di interferenza possono essere osservati nelle statistiche dei clic del rivelatore di conteggio dei fotoni, anche se la potenza è così bassa che viene registrato un solo clic nel tempo di 2000 impulsi laser, in media. In tali circostanze, è estremamente improbabile che due fotoni, uno da ogni laser, sono presenti contemporaneamente nel percorso di rilevamento. L'esperimento non può essere spiegato intuitivamente se si presume che esista un fotone prima del rilevamento.

La capacità di lavorare a intensità di luce un miliardo di volte inferiori rispetto a quelle normalmente impiegate apre intriganti nuove prospettive per la spettroscopia a doppio pettine. Nathalie Picqué dice, "Il metodo può ora essere esteso alle regioni spettrali in cui sono disponibili sorgenti a pettine a frequenze più deboli, come l'estremo ultravioletto o la regione dei raggi X molli. I segnali spettroscopici possono essere acquisiti attraverso materiali altamente attenuanti o mediante retrodiffusione su grandi distanze. E diventa possibile estrarre spettri a doppio pettine da campioni nanoscopici fino a singoli atomi o molecole, che producono solo deboli segnali di fluorescenza."

Theodor Hänsch ricorda il momento in cui in laboratorio è emerso per la prima volta un modello di interferenza nelle statistiche dei clic del rilevatore:"Mi sono sentito elettrizzato. Anche dopo aver lavorato nella spettroscopia laser per più di 50 anni, mi è sembrato abbastanza controintuitivo che i singoli fotoni rilevati potessero essere "consapevoli" dei due laser con il loro gran numero di righe a pettine e del complesso spettro di un campione".