Il sistema di spettroscopia ultravioletta a doppio pettine conta singoli fotoni – Physics World

Il sistema di spettroscopia ultravioletta a doppio pettine conta singoli fotoni – Physics World

Timestamp: 13 marzo 2024 9:50

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons-physics-world.jpg" data-caption="How it works: the top frequency comb is passed through a sample of interest and then into a beamsplitter. The bottom frequency comb operates at a slightly different pulse repetition frequency and is combined with the top comb in the beamsplitter. Photons in the combined beam are counted by a detector. (Courtesy: Bingxin Xu et al/Natura/ CC BY 4.0 DEED)” title=”Fai clic per aprire l'immagine nel popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts- singolo-fotoni-fisica-mondo.jpg”>Spettroscopia a doppio pettine
Come funziona: il pettine delle frequenze più alte viene fatto passare attraverso un campione di interesse e quindi in un divisore di fascio. Il pettine di frequenza inferiore funziona con una frequenza di ripetizione degli impulsi leggermente diversa ed è combinato con il pettine superiore nel divisore di fascio. I fotoni nel raggio combinato vengono contati da un rilevatore. (Per gentile concessione: Bingxin Xu et al/Natura/CC BY ATTO 4.0)

La spettroscopia a doppio pettine – spettroscopia di assorbimento che utilizza l’interferenza tra due pettini di frequenza – è stata eseguita a lunghezze d’onda ultraviolette utilizzando singoli fotoni. Il lavoro potrebbe portare all’uso della tecnica a lunghezze d’onda più corte, dove i laser a pettine ad alta potenza non sono disponibili. La tecnica potrebbe anche trovare nuove applicazioni.

Sin dalla loro invenzione all'alba del 21° secolo, i pettini di frequenza sono diventati strumenti importanti nell'ottica. Di conseguenza, Theodor Hansch dell'Istituto Max Planck per l'ottica quantistica in Germania e John Hall del National Institute for Standards and Technology degli Stati Uniti hanno condiviso il Premio Nobel 2005 per la loro invenzione. Un pettine di frequenza è composto da brevi impulsi luminosi periodici contenenti uno spettro di luce molto ampio con picchi di intensità a intervalli di frequenza regolari, simili ai denti di un pettine. Tali spettri sono particolarmente utili ogni volta che è necessaria luce con una frequenza definita con precisione, come negli orologi atomici o nella spettroscopia.

Nella spettroscopia tradizionale, un pettine di frequenza può essere utilizzato come “righello ottico” quando si sonda un campione con un altro laser. "Hai un laser a onda continua [CW] che interagisce con il campione che vuoi analizzare e vuoi misurare la frequenza assoluta di questo laser CW", spiega Nathalie Picque dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica. “E per questo colpisci il laser con il pettine di frequenza. Quindi il pettine di frequenza ti dà la possibilità di misurare qualsiasi frequenza ma in un dato momento ne misuri solo una.”

Cambiamenti di intensità

Al contrario, la spettroscopia a doppio pettine espone il campione alla luce a banda larga proveniente dallo stesso pettine di frequenza. Poiché l’input è a banda larga, anche l’output è a banda larga. Tuttavia, la luce che passa attraverso il campione si combina con la luce proveniente da un secondo pettine di frequenza con una frequenza di ripetizione leggermente diversa su un interferometro. Viene registrata la variazione dell'intensità della luce che emerge dall'interferometro (vedi figura).

Se il campione non ha interagito con il primo pettine di frequenza, la variazione periodica dell'intensità riflette semplicemente la differenza nella frequenza di ripetizione tra i pettini. Tuttavia, se il campione assorbe la luce dal pettine, ciò altera la forma della modulazione dell'intensità. Le frequenze assorbite possono essere recuperate da una trasformata di Fourier di questo modello di interferenza temporale.

La spettroscopia a doppio pettine ha avuto molto successo alle frequenze infrarosse. L'utilizzo della tecnica a frequenze più elevate, tuttavia, è problematico. “Non esistono laser ultraveloci che emettono direttamente nella regione dell’ultravioletto”, spiega Picqué, “quindi è necessario utilizzare una conversione di frequenza non lineare, e più si vuole entrare nell’ultravioletto, più saranno gli stadi di conversione di frequenza non lineare hai bisogno." La conversione non lineare della frequenza è molto inefficiente, quindi la potenza diminuisce in ogni fase.

Soluzione a basso consumo

Finora, la maggior parte dei ricercatori si è concentrata sull’aumento della potenza del laser a infrarossi in entrata. "Si tratta di un esperimento molto impegnativo con laser ad alta potenza, molto rumore e un sistema molto costoso", afferma Picqué. Nella nuova ricerca, quindi, Picqué, Hänsch e colleghi dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica hanno creato un sistema con una potenza richiesta molto inferiore.

I ricercatori hanno convertito due pettini a infrarossi due volte, prima in un cristallo di niobato di litio e poi in triborato di bismuto. I pettini ultravioletti risultanti generavano potenze ottiche medie di al massimo 50 pW. I ricercatori hanno fatto passare uno di questi attraverso una cella di gas di cesio riscaldato, mentre l'altro è stato inviato direttamente all'interferometro. Un braccio dell'interferometro è stato inviato a un singolo contatore di fotoni. "I conteggi sono davvero pochissimi", afferma Picqué; "Se esegui una scansione, il segnale non assomiglia a nulla." Tuttavia, hanno poi ripetuto esattamente la stessa scansione più e più volte. "Quando ripetiamo la scansione 100,000 o quasi un milione di volte otteniamo il nostro segnale di interferenza nel dominio del tempo, che è il segnale che stiamo cercando."

In circa 150 s di tempo di scansione, i ricercatori hanno potuto risolvere due transizioni atomiche nel cesio che hanno frequenze simili, con rapporti segnale-rumore di circa 200. Hanno anche potuto osservare la scissione di una delle transizioni causata dall'interazione iperfine. .

"L'idea di lavorare con livelli di luce molto bassi è molto controintuitiva", afferma Picqué. “Abbiamo dimostrato che la tecnica può funzionare con potenze ottiche che sono un milione di volte più deboli di quelle utilizzate in precedenza”. Ora sperano di spingersi verso lunghezze d’onda ancora più corte nell’ultravioletto del vuoto. A parte la spettroscopia ultravioletta, la capacità di utilizzare la spettroscopia a doppio pettine a potenze molto basse potrebbe rivelarsi utile in una varietà di altre situazioni, spiega Picqué, ad esempio dove i campioni sono soggetti a danni da radiazioni.

Esperto a doppia pettinatura Jason Jones dell'Università dell'Arizona, che conduce esperimenti nel vuoto ultravioletto, è entusiasta del lavoro di Max Planck. "Non importa quanto ti spingi nell'ultravioletto, avrai sempre una quantità minima di luce a causa del modo in cui viene generata, quindi se puoi usare meno luce, sarai sempre in grado di andare più in profondità", dice. "Essere in grado di utilizzare singoli fotoni e ottenere comunque buoni risultati spettroscopici segnale-rumore è significativo per questo."

La ricerca è descritta in Natura.

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