I nasi sensibili degli animali possono fiutare tracce di particelle, come composti organici volatili, nell'aria ambiente. Gli esseri umani, d'altra parte, stanno sviluppando tecnologie innovative per questo scopo, come la spettroscopia ottica. Questo utilizza la luce laser per rilevare la composizione molecolare dei gas. Apre la possibilità di superare anche questi successi "odori", anche per sostanze che i nasi degli animali non possono percepire affatto.

Oggi il "potere olfattivo" della spettroscopia non ne sfrutta ancora le potenzialità. Il principio alla base è che se le molecole vengono irradiate con luce laser, iniziano a vibrare in modo caratteristico ed emettono anche luce. A basse concentrazioni, tuttavia, questa emissione è molto debole. Un gruppo di scienziati guidato dal Dr. Ioachim Pupeza del PD nel team attoworld presso la Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) e il Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), in collaborazione con scienziati dell'Università della British Columbia e del Leibniz Institute for Photonic Technologies di Jena, sta ora dimostrando un modo per amplificare la radiazione delle molecole che segue l'eccitazione, migliorando notevolmente il "senso dell'olfatto" della spettroscopia laser molecolare. Il loro studio è stato pubblicato su Nature Photonics .

Quando un musicista pizzica una corda di chitarra, questa inizia a vibrare ed emette un tono con un'altezza, un timbro e una modulazione caratteristici dello strumento. La stessa cosa accade quando una molecola di gas viene "colpita" da un impulso laser ultracorto:assorbe parte dell'energia dell'impulso laser. I suoi atomi iniziano a vibrare. Invece di un'onda sonora, la molecola emette una caratteristica forma d'onda ottica che può essere rilevata spettroscopicamente. Questa forma d'onda contiene informazioni sulla composizione molecolare del gas. Sfortunatamente, questa "musica delle molecole" è molto delicata. Questo perché solo una piccola frazione dell'energia contenuta nell'impulso viene convertita nelle onde luminose a lento decadimento che contengono queste preziose informazioni.

Impulsi laser a sovrapposizione temporale

I ricercatori del team attoworld di MPQ e LMU, in collaborazione con scienziati dell'Università della British Columbia e del Leibniz Institute for Photonic Technologies di Jena, hanno ora trovato un modo per amplificare le risposte molecolari alla ripetizione di impulsi laser ultracorti nel cosiddetto regione spettrale dell'impronta digitale. Nella regione spettrale dell'impronta digitale, le molecole organiche hanno le loro risonanze caratteristiche. Per fare ciò, i fisici hanno inviato gli impulsi in un risuonatore ottico riempito di gas. Nel risonatore, il raggio di impulsi laser viene ricondotto su se stesso tramite diversi specchi, in modo che gli impulsi inizino a sovrapporsi temporaneamente con i loro predecessori e successori. Questo amplifica gli impulsi e le risposte molecolari. I fisici del laser attoworld hanno ora, per la prima volta, accoppiato queste forme d'onda ottiche di risposte molecolari potenziate dalla cavità e le hanno campionate con la spettroscopia risolta sul campo.

Prima che ciò fosse possibile, è stato necessario superare una serie di sfide. "Finora, i risonatori ottici passivi potevano coprire solo larghezze di banda inferiori al 20% della frequenza ottica centrale e funzionavano principalmente a lunghezze d'onda del vicino infrarosso", spiega Philipp Sulzer, uno dei principali autori dello studio.

"Tuttavia, per coprire una porzione significativa della gamma delle impronte digitali nel medio infrarosso, abbiamo dovuto ripensare quali elementi ottici e meccanismi di bloccaggio potrebbero essere utilizzati per costruire la cavità. Inoltre, gli impulsi ultracorti per la spettroscopia risolta sul campo non devono cambiare la loro forma d'onda durante un'orbita attraverso il risonatore", aggiunge Maximilian Högner, l'altro autore principale dello studio. Infine, i fisici del laser hanno trovato una configurazione composta da quattro specchi rivestiti in oro, aria controllata dall'umidità e una piastra diamantata a forma di cuneo per accoppiare la luce dentro e fuori dal risonatore. Il loro approccio consente un aumento dell'energia contenuta nella risposta molecolare trascinando l'eccitazione impulsiva di un fattore superiore a 500.

Aumenta le possibilità di rilevare in modo affidabile le malattie

"La nuova configurazione di misurazione combina il nostro precedente lavoro sulle cavità di miglioramento con la nostra esperienza nella spettroscopia risolta sul campo. I risultati aprono prospettive per la spettroscopia di gas a banda larga con sensibilità da uno a un trilione di particelle. Allo stesso tempo, a causa dell'assorbimento relativamente stretto linee in fase gassosa, la tecnica offre un alto potenziale per miscele di gas complesse come il respiro umano, in cui alcuni componenti sono presenti in concentrazioni molto elevate, ma alcuni in concentrazioni molto basse", spiega Ioachim Pupeza. "Il nostro nuovo approccio aumenta le possibilità di rilevare in modo affidabile malattie attraverso il respiro umano in futuro e quindi di fornire, ad esempio, nuovi metodi non invasivi per il monitoraggio delle terapie". + Esplora ulteriormente

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