Frequenzkamm identifiziert Moleküle alle 20 Nanosekunden – Physics World

Frequenzkämme – spezielle Laser, die wie ein Lichtmaßstab fungieren – werden häufig verwendet, um unbekannte Moleküle in einer Probe zu identifizieren, indem sie ermitteln, welche Lichtfrequenzen sie absorbieren. Trotz jüngster Fortschritte hat die Technik jedoch immer noch Schwierigkeiten, Spektren im Nanosekundenbereich aufzuzeichnen, der für viele physiochemische und biologische Prozesse charakteristisch ist.

Forscher an der US Nationales Institut für Standards und Technologie (NIST) in Gaithersbury, Maryland, Toptica Photonics AG und für Universität von Colorado, Boulder haben diesen Nachteil nun behoben, indem sie ein Frequenzkammsystem entwickelt haben, das alle 20 Nanosekunden bestimmte Moleküle in einer Probe erkennen kann. Ihre Leistung bedeutet, dass die Technologie zur Lösung von Zwischenschritten in schnell ablaufenden Prozessen eingesetzt werden könnte, wie sie beispielsweise in Hyperschall-Triebwerken und der Proteinfaltung auftreten.

Erkennung molekularer Fingerabdrücke

In der neuen Arbeit NIST-Projektleiter David Long und Kollegen erzeugten mithilfe elektrooptischer Modulatoren zwei optische Frequenzkämme im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Anschließend verwendeten sie diese Kämme als Pumplaser für ein Gerät, das als optischer parametrischer Oszillator bekannt ist und die Kämme spektral in das mittlere Infrarot übersetzt. Diese Übersetzung ist wichtig, da der mittlere Infrarotbereich so viele starke Lichtabsorptionsmerkmale aufweist (insbesondere in Biomaterialien), dass er als „Fingerabdruckregion“ bekannt ist. Die hohe Leistung und Kohärenz der Kämme sowie der große Abstand ihrer Frequenzzähne ermöglichen die Aufzeichnung dieser molekularen Linienformen mit hoher Geschwindigkeit.

Der neue Aufbau ist nicht nur sehr effektiv, sondern auch relativ einfach. „Viele andere Ansätze für die Doppelkammspektroskopie im mittleren Infrarot erforderten zwei separate Kämme, die fest miteinander verbunden werden mussten“, erklärt Long. „Das bedeutet eine stark erhöhte experimentelle Komplexität. Darüber hinaus verfügten frühere Techniken im Allgemeinen nicht über eine so hohe Leistung oder die Möglichkeit, den Kammabstand auf ausreichend große Werte abzustimmen.“

Diese weit auseinander liegende Abstimmung sei möglich, fügt Long hinzu, weil der neue elektrooptische Kamm nur 14 „Zähne“ habe, verglichen mit Tausenden oder sogar Millionen bei herkömmlichen Frequenzkämmen. Jeder Zahn hat somit eine viel höhere Leistung und ist in der Frequenz weiter von den anderen Zähnen entfernt, was zu klaren, starken Signalen führt.

Tischfrequenzkamm untersucht Proteinstrukturen

„Die Flexibilität und Einfachheit der neuen Methode sind zwei ihrer großen Stärken“, sagt er Physik-Welt. „Daher ist es auf ein breites Spektrum von Messzielen anwendbar, darunter chemische Kinetik und Dynamik, Verbrennungswissenschaft, Atmosphärenchemie, Biologie und Quantenphysikstudien.“

Überschall-CO₂ Impulse

Als Test verwendeten die Forscher ihren Aufbau, um Überschallpulse von CO zu messen₂ Austritt aus einer kleinen Düse in einer luftgefüllten Kammer. Sie konnten das CO messen₂/Luft-Mischungsverhältnis und beobachten Sie, wie sich das CO₂ interagiert mit der Luft und erzeugt Luftdruckschwankungen. Solche Informationen könnten genutzt werden, um die in Flugzeugtriebwerken ablaufenden Prozesse besser zu verstehen und so die Entwicklung besserer Triebwerke zu unterstützen.

Als Folgemaßnahme zu diesen Experimenten, die im Detail beschrieben sind Nature Photonics, sagen die Forscher, dass sie nun gerne weitere wissenschaftlich interessante chemische Systeme untersuchen würden.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/frequency-comb-identifies-molecules-every-20-nanoseconds/