Frequentiekam identificeert moleculen elke 20 nanoseconden – Physics World

Frequentiekam identificeert moleculen elke 20 nanoseconden – Physics World

Tijdstempel: 18 december 2023 12:00 uur

Regenboogkleurige gegevensgrafiek die de absorptie van licht (verticaal) in de loop van de tijd (horizontaal van links naar rechts) over een reeks frequenties (horizontaal van voren naar achteren) toont
Een nieuwe frequentiekamopstelling kan de details van moment tot moment vastleggen van kooldioxidegas dat met supersonische snelheden uit een mondstuk ontsnapt in een met lucht gevulde kamer, gevolgd door snelle gasschommelingen als gevolg van de complexe aerodynamica in de kamer. De gegevensgrafiek toont de absorptie van licht (verticaal) in de loop van de tijd (horizontaal van links naar rechts) over een reeks frequenties (horizontaal van voren naar achteren). Met dank aan: G. Mathews/Universiteit van Colorado Boulder

Frequentiekammen – gespecialiseerde lasers die fungeren als een meetlat voor licht – worden vaak gebruikt om onbekende moleculen in een monster te identificeren door te detecteren welke lichtfrequenties ze absorberen. Ondanks recente ontwikkelingen heeft de techniek echter nog steeds moeite om spectra vast te leggen op de tijdschaal van nanoseconden die kenmerkend is voor veel fysiochemische en biologische processen.

Onderzoekers van de Amerikaans National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersbury, Maryland, Toptica Fotonica AG en Universiteit van Colorado, Boulder hebben dit nadeel nu aangepakt door een frequentiekamsysteem te ontwikkelen dat elke 20 nanoseconden specifieke moleculen in een monster kan detecteren. Hun prestatie betekent dat de technologie kan worden gebruikt om tussenstappen in snel bewegende processen op te lossen, zoals die plaatsvinden in hypersonische straalmotoren en het vouwen van eiwitten.

Het detecteren van moleculaire vingerafdrukken

In het nieuwe werk, NIST-projectleider David Long en collega's genereerden twee optische frequentiekammen in het nabij-infrarode gebied van het elektromagnetische spectrum met behulp van elektro-optische modulatoren. Vervolgens gebruikten ze deze kammen als pomplaser voor een apparaat dat bekend staat als een optische parametrische oscillator die de kammen spectraal vertaalt naar het midden-infrarood. Deze vertaling is belangrijk omdat het midden-infraroodgebied zoveel sterke lichtabsorptiekenmerken herbergt (vooral in biomaterialen) dat het bekend staat als het “vingerafdrukgebied”. Dankzij het grote vermogen en de coherentie van de kammen, samen met de grote afstand tussen hun frequentietanden, kunnen deze moleculaire lijnvormen met hoge snelheden worden vastgelegd.

De nieuwe opzet is niet alleen zeer effectief, maar ook relatief eenvoudig. “Veel andere benaderingen voor dubbele kamspectroscopie in het midden-infrarood vereisten twee afzonderlijke kammen die stevig aan elkaar moeten worden bevestigd”, legt Long uit. “Dit betekent een sterk toegenomen experimentele complexiteit. Bovendien hadden eerdere technieken over het algemeen niet zo’n groot vermogen en ook niet de mogelijkheid om de kamafstand af te stemmen op voldoende grote waarden.”

Deze afstemming over grote afstanden is mogelijk, voegt Long eraan toe, omdat de nieuwe elektro-optische kam slechts 14 “tanden” heeft, vergeleken met duizenden of zelfs miljoenen voor conventionele frequentiekammen. Elke tand heeft dus een veel hoger vermogen en staat qua frequentie verder van de andere tanden, wat resulteert in heldere, sterke signalen.

“De flexibiliteit en eenvoud van de nieuwe methode zijn twee van de belangrijkste sterke punten ervan”, vertelt hij Natuurkunde wereld. “Als gevolg hiervan is het toepasbaar op een breed scala aan meetdoelen, waaronder chemische kinetiek en dynamica, verbrandingswetenschap, atmosferische chemie, biologie en kwantumfysicastudies.”

Supersonische CO2 pulsen

Als test gebruikten de onderzoekers hun opstelling om supersonische pulsen van CO te meten2 het verlaten van een klein mondstuk in een met lucht gevulde kamer. Ze konden de CO meten2/lucht mengverhouding en kijk hoe de CO2 interactie met lucht om oscillaties van luchtdruk te creëren. Dergelijke informatie zou kunnen worden gebruikt om de processen die plaatsvinden in vliegtuigmotoren beter te begrijpen en zo de ontwikkeling van betere processen te ondersteunen.

Als vervolg op deze experimenten, die gedetailleerd worden beschreven in Natuur Fotonicazeggen de onderzoekers dat ze nu graag andere wetenschappelijk interessante chemische systemen willen bestuderen.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld