Un team internazionale di fisici laser del team attoworld della LMU e del Max Planck Institute of Quantum Optics ha ottenuto un controllo senza precedenti sugli impulsi di luce nella gamma di lunghezze d'onda del medio infrarosso.

Gli impulsi di luce infrarossa ultracorti sono la chiave per un'ampia gamma di applicazioni tecnologiche. Il campo di luce infrarossa oscillante può eccitare le molecole in un campione per farle vibrare a frequenze specifiche o guidare correnti elettriche ultraveloci nei semiconduttori. Chiunque intenda sfruttare la forma d'onda oscillante degli impulsi di luce ultracorti, ad esempio per guidare processi elettro-ottici all'avanguardia, deve affrontare la stessa domanda:come controllare al meglio la forma d'onda stessa. La generazione di impulsi ultracorti con forme d'onda regolabili è stata dimostrata in diverse gamme di lunghezze d'onda come l'UV-visibile e il vicino infrarosso. I fisici del team attoworld presso la LMU, il Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) e il Centro ungherese per le impronte digitali molecolari (CMF) sono ora riusciti a generare impulsi ultracorti nel medio infrarosso e a controllare con precisione le loro forme d'onda del campo elettrico. Con questo manipolatore di forme d'onda a infrarossi a portata di mano, sono disponibili nuove possibilità di controllo ottico per applicazioni biomediche ed elettronica quantistica.

La base per la nuova sorgente del medio infrarosso è un sistema laser stabilizzato che genera impulsi luminosi con una forma d'onda definita con precisione a lunghezze d'onda del vicino infrarosso. Gli impulsi sono costituiti da una sola oscillazione dell'onda luminosa e sono quindi lunghi solo pochi femtosecondi. Quando questi impulsi vengono inviati in un opportuno cristallo non lineare, la generazione di impulsi a infrarossi a lunghezza d'onda lunga può essere indotta sfruttando complessi processi di miscelazione di frequenza. In questo modo, il team è riuscito a produrre impulsi luminosi con una copertura spettrale eccezionalmente ampia di oltre tre ottave ottiche, da 1 a 12 micrometri. I ricercatori non solo sono stati in grado di comprendere e simulare la fisica alla base dei processi di miscelazione, ma hanno anche sviluppato un nuovo approccio per controllare con precisione le oscillazioni della luce nel medio infrarosso generata attraverso la regolazione dei parametri di input del laser.

Le forme d'onda regolabili risultanti possono, ad esempio, attivare selettivamente determinati processi elettronici nei solidi, il che potrebbe consentire di raggiungere velocità di elaborazione del segnale elettronico molto più elevate in futuro. "Su questa base, si potrebbe immaginare lo sviluppo dell'elettronica controllata dalla luce", spiega Philipp Steinleitner, uno dei tre autori principali dello studio. "Se i dispositivi optoelettronici dovessero funzionare alle frequenze della luce generata, potresti velocizzare l'elettronica odierna di almeno un fattore 1000."

I fisici attoworld stanno prestando particolare attenzione all'uso della nuova tecnologia della luce per la spettroscopia delle molecole. Quando la luce del medio infrarosso passa attraverso un liquido campione, ad esempio sangue umano, le molecole nel campione iniziano a oscillare ea loro volta emettono onde luminose caratteristiche. Il rilevamento della risposta molecolare fornisce un'impronta digitale unica che dipende dall'esatta composizione del campione. "Con la nostra tecnologia laser, abbiamo notevolmente ampliato la gamma di lunghezze d'onda controllabili nell'infrarosso", afferma Nathalie Nagl, anche prima autrice dello studio. "Le lunghezze d'onda aggiuntive ci danno l'opportunità di analizzare in modo ancora più preciso come è composta una miscela di molecole", continua.

Nel gruppo attoworld, i colleghi del team Broadband Infrared Diagnostics (BIRD) guidato da Mihaela Zigman e il team di ricerca CMF guidato da Alexander Weigel sono particolarmente interessati a misurare le precise impronte molecolari a infrarossi di campioni di sangue umano. L'obiettivo è identificare le firme caratteristiche che consentono di diagnosticare malattie come il cancro. Un tumore in via di sviluppo, ad esempio, porta a cambiamenti piccoli e molto complessi nella composizione molecolare del sangue. L'obiettivo è rilevare questi cambiamenti e consentire la diagnosi precoce delle malattie misurando l'impronta digitale a infrarossi di una semplice goccia di sangue umano.

"In futuro, la nostra tecnologia laser consentirà ai nostri colleghi di rilevare cambiamenti precedentemente non rilevabili in specifiche biomolecole come proteine ​​o lipidi. Aumenta così l'affidabilità della futura diagnostica medica utilizzando la tecnologia laser a infrarossi", afferma Maciej Kowalczyk, anche primo autore del studia.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Photonics . + Esplora ulteriormente

Un senso per la luce infrarossa