La spettroscopia ultravioletta svolge un ruolo fondamentale nello studio delle transizioni elettroniche negli atomi e delle transizioni rovibroniche nelle molecole. Questi studi sono essenziali per test di fisica fondamentale, teoria dell'elettrodinamica quantistica, determinazione di costanti fondamentali, misurazioni di precisione, orologi ottici, spettroscopia ad alta risoluzione a supporto della chimica atmosferica e dell'astrofisica e fisica dei campi forti.
Gli scienziati del gruppo di Nathalie Picqué presso l’Istituto Max-Planck di ottica quantistica hanno ora fatto un passo significativo nel campo della spettroscopia ultravioletta implementando con successo la spettroscopia a doppio pettine ad assorbimento lineare ad alta risoluzione nella gamma spettrale dell’ultravioletto. Questo risultato rivoluzionario apre nuove possibilità per eseguire esperimenti in condizioni di scarsa illuminazione, aprendo la strada a nuove applicazioni in vari campi scientifici e tecnologici.
La spettroscopia a doppio pettine, una tecnica potente per una spettroscopia precisa su ampie larghezze di banda spettrali, è stata utilizzata principalmente per l'assorbimento lineare dell'infrarosso di piccole molecole nella fase gassosa. Si basa sulla misurazione dell'interferenza dipendente dal tempo tra due pettini di frequenza con frequenze di ripetizione leggermente diverse.
Un pettine di frequenza è uno spettro di linee laser equidistanti e coerenti in fase che agisce come un righello per misurare la frequenza della luce con estrema precisione. La tecnica a doppio pettine non soffre delle limitazioni geometriche associate agli spettrometri tradizionali e offre un grande potenziale per un'elevata precisione e accuratezza.
Tuttavia, la spettroscopia a doppio pettine richiede in genere raggi laser intensi, il che la rende meno adatta a scenari in cui i bassi livelli di luce sono critici. Il team MPQ ha ora dimostrato sperimentalmente che la spettroscopia a doppio pettine può essere efficacemente impiegata in condizioni di scarsa illuminazione a livelli di potenza più di un milione di volte più deboli di quelli normalmente utilizzati.
Questa svolta è stata ottenuta utilizzando due distinte configurazioni sperimentali con diversi tipi di generatori a pettine di frequenza. Il team ha sviluppato un interferometro a livello di fotoni che registra accuratamente le statistiche del conteggio dei fotoni, mostrando un rapporto segnale-rumore al limite fondamentale. Questo risultato evidenzia l'uso ottimale della luce disponibile per gli esperimenti e apre la prospettiva della spettroscopia a doppio pettine in scenari difficili in cui sono essenziali bassi livelli di luce.
I ricercatori dell'MPQ hanno affrontato le sfide associate alla generazione di pettini di frequenza ultravioletta e alla costruzione di interferometri a doppio pettine con lunghi tempi di coerenza, aprendo la strada a progressi verso questo ambito obiettivo. Hanno controllato in modo eccellente la coerenza reciproca di due laser a pettine con un femtowatt per linea a pettine, dimostrando un accumulo ottimale delle statistiche di conteggio del loro segnale di interferenza per tempi superiori a un'ora.
"Il nostro approccio innovativo all'interferometria in condizioni di scarsa illuminazione supera le sfide poste dalla bassa efficienza della conversione di frequenza non lineare e pone solide basi per estendere la spettroscopia a doppio pettine a lunghezze d'onda ancora più corte", commenta Bingxin Xu, lo scienziato post-dottorato che ha guidato gli esperimenti.
In effetti, un’interessante applicazione futura è lo sviluppo della spettroscopia a doppio pettine a lunghezze d’onda corte per consentire una precisa spettroscopia molecolare del vuoto e dell’ultravioletto estremo su ampi intervalli spettrali. Attualmente, la spettroscopia UV estremo a banda larga è limitata in termini di risoluzione e accuratezza e si basa su una strumentazione unica presso strutture specializzate.
"La spettroscopia ultravioletta a doppio pettine, pur essendo un obiettivo impegnativo, è ora diventata realistica come risultato della nostra ricerca. È importante sottolineare che i nostri risultati estendono tutte le capacità della spettroscopia a doppio pettine alle condizioni di scarsa illuminazione, sbloccando nuove applicazioni nella spettroscopia di precisione , rilevamento biomedico e sondaggio atmosferico ambientale", conclude Nathalie Picqué.
I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature .
Ulteriori informazioni: Bingxin Xu et al, Spettroscopia a doppio pettine con conteggio di fotoni nel vicino ultravioletto, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07094-9
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dalla Max Planck Society
