Η χτένα συχνότητας αναγνωρίζει μόρια κάθε 20 νανοδευτερόλεπτα - Physics World

Η χτένα συχνότητας αναγνωρίζει μόρια κάθε 20 νανοδευτερόλεπτα - Physics World

Χρονική σήμανση: 18 Δεκεμβρίου 2023 12:00 μ.μ.

Γράφημα δεδομένων χρώματος ουράνιου τόξου που δείχνει την απορρόφηση του φωτός (κάθετη) με την πάροδο του χρόνου (οριζόντια από αριστερά προς τα δεξιά) σε μια σειρά συχνοτήτων (οριζόντια εμπρός προς τα πίσω)
Μια νέα διάταξη χτένας συχνότητας μπορεί να αποτυπώσει τις λεπτομέρειες στιγμής προς στιγμή του αερίου διοξειδίου του άνθρακα που διαφεύγει από ένα ακροφύσιο με υπερηχητικές ταχύτητες σε ένα θάλαμο γεμάτο αέρα, ακολουθούμενες από γρήγορες ταλαντώσεις αερίου λόγω πολύπλοκης αεροδυναμικής εντός του θαλάμου. Η γραφική παράσταση δεδομένων δείχνει την απορρόφηση του φωτός (κάθετη) με την πάροδο του χρόνου (οριζόντια από αριστερά προς τα δεξιά) σε ένα εύρος συχνοτήτων (οριζόντια εμπρός προς τα πίσω). Ευγενική παραχώρηση: G. Mathews/University of Colorado Boulder

Οι χτένες συχνότητας – εξειδικευμένα λέιζερ που λειτουργούν σαν ράβδος μέτρησης για το φως – χρησιμοποιούνται συνήθως για τον εντοπισμό άγνωστων μορίων σε ένα δείγμα, ανιχνεύοντας ποιες συχνότητες φωτός απορροφούν. Παρά τις πρόσφατες προόδους, ωστόσο, η τεχνική εξακολουθεί να παλεύει να καταγράψει φάσματα στη χρονική κλίμακα του νανοδευτερόλεπτου που είναι χαρακτηριστικό πολλών φυσικοχημικών και βιολογικών διεργασιών.

Ερευνητές στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST) στο Gaithersbury, Maryland, Toptica Photonics AG και την Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Boulder έχουν πλέον αντιμετωπίσει αυτό το μειονέκτημα αναπτύσσοντας ένα σύστημα χτένα συχνότητας που μπορεί να ανιχνεύει συγκεκριμένα μόρια σε ένα δείγμα κάθε 20 νανοδευτερόλεπτα. Το κατόρθωμά τους σημαίνει ότι η τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση ενδιάμεσων βημάτων σε ταχέως κινούμενες διεργασίες, όπως αυτά που συμβαίνουν σε υπερηχητικούς κινητήρες αεριωθουμένων και αναδίπλωση πρωτεϊνών.

Ανίχνευση μοριακών δακτυλικών αποτυπωμάτων

Στη νέα εργασία, επικεφαλής έργου NIST Δαβίδ Λονγκ και οι συνάδελφοι δημιούργησαν δύο χτένες οπτικής συχνότητας στην περιοχή του εγγύς υπέρυθρου του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος χρησιμοποιώντας ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν αυτές τις χτένες ως λέιζερ αντλίας για μια συσκευή γνωστή ως οπτικός παραμετρικός ταλαντωτής που μεταφράζει φασματικά τις χτένες στο μεσαίο υπέρυθρο. Αυτή η μετάφραση είναι σημαντική επειδή η περιοχή του μεσαίου υπέρυθρου φιλοξενεί τόσα πολλά ισχυρά χαρακτηριστικά απορρόφησης φωτός (ιδιαίτερα σε βιοϋλικά) που είναι γνωστή ως «περιοχή δακτυλικών αποτυπωμάτων». Η υψηλή ισχύς και η συνοχή των χτενών, σε συνδυασμό με την ευρεία απόσταση των «δοντιών» της συχνότητάς τους, επιτρέπει σε αυτά τα σχήματα μοριακών γραμμών να καταγράφονται σε υψηλές ταχύτητες.

Εκτός από εξαιρετικά αποτελεσματική, η νέα ρύθμιση είναι επίσης σχετικά απλή. «Πολλές άλλες προσεγγίσεις για φασματοσκοπία διπλής χτένας στο μεσαίο υπέρυθρο απαιτούσαν δύο ξεχωριστές χτένες που πρέπει να είναι σφιχτά κλειδωμένες η μία με την άλλη», εξηγεί ο Λονγκ. «Αυτό σημαίνει μια πολύ αυξημένη πειραματική πολυπλοκότητα. Επιπλέον, οι προηγούμενες τεχνικές γενικά δεν είχαν τόσο υψηλή ισχύ ή τη δυνατότητα συντονισμού της απόστασης της χτένας σε αρκετά μεγάλες τιμές.»

Αυτός ο ευρύς συντονισμός είναι δυνατός, προσθέτει ο Long, επειδή η νέα ηλεκτροοπτική χτένα έχει μόνο 14 «δόντια», σε σύγκριση με χιλιάδες ή και εκατομμύρια για τις συμβατικές χτένες συχνότητας. Κάθε δόντι έχει επομένως πολύ μεγαλύτερη ισχύ και είναι πιο μακριά από τα άλλα δόντια σε συχνότητα, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα καθαρά, ισχυρά σήματα.

«Η ευελιξία και η απλότητα της νέας μεθόδου είναι δύο από τα κύρια πλεονεκτήματά της», λέει Κόσμος Φυσικής. Ως αποτέλεσμα, μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα στόχων μέτρησης, συμπεριλαμβανομένων των μελετών χημικής κινητικής και δυναμικής, επιστήμης καύσης, ατμοσφαιρικής χημείας, βιολογίας και κβαντικής φυσικής.

Supersonic CO2 όσπρια

Ως δοκιμή, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη διάταξη τους για να μετρήσουν υπερηχητικούς παλμούς CO2 βγαίνοντας από ένα μικρό ακροφύσιο σε θάλαμο γεμάτο αέρα. Κατάφεραν να μετρήσουν το CO2/αναλογία ανάμιξης αέρα και παρατηρήστε πώς το CO2 αλληλεπιδρούν με τον αέρα για να δημιουργήσουν ταλαντώσεις της πίεσης του αέρα. Τέτοιες πληροφορίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την καλύτερη κατανόηση των διαδικασιών που συμβαίνουν στους κινητήρες των αεροσκαφών και έτσι να βοηθήσουν στην ανάπτυξη καλύτερων.

Ως συνέχεια αυτών των πειραμάτων, τα οποία αναφέρονται λεπτομερώς στο Nature Photonics, οι ερευνητές λένε ότι θα ήθελαν τώρα να μελετήσουν άλλα επιστημονικά ενδιαφέροντα χημικά συστήματα.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής