Sistema de espectroscopia ultravioleta de pente duplo conta fótons únicos – Physics World

<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/Natureza/ CC BY 4.0 DEED)” title=”Clique para abrir a imagem no pop-up” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopia-system-counts- single-photons-physics-world.jpg”>

A espectroscopia de pente duplo – espectroscopia de absorção que utiliza a interferência entre dois pentes de frequência – foi realizada em comprimentos de onda ultravioleta usando fótons únicos. O trabalho pode levar ao uso da técnica em comprimentos de onda mais curtos, onde lasers pente de alta potência não estão disponíveis. A técnica também pode encontrar novas aplicações.

Desde a sua invenção no início do século 21, os pentes de frequência tornaram-se ferramentas importantes em óptica. Como resultado, Theodor Hansch do Instituto Max Planck de Óptica Quântica na Alemanha e John Hall do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA compartilharam o Prêmio Nobel de 2005 por sua invenção. Um pente de frequência compreende pulsos de luz curtos e periódicos contendo um espectro muito amplo de luz com picos de intensidade em intervalos de frequência regulares – lembrando os dentes de um pente. Esses espectros são particularmente úteis sempre que é necessária luz em uma frequência precisamente definida, como em relógios atômicos ou espectroscopia.

Na espectroscopia tradicional, um pente de frequência pode ser usado como uma “régua óptica” ao sondar uma amostra com outro laser. “Você tem um laser de onda contínua [CW] interagindo com a amostra que deseja analisar e deseja medir a frequência absoluta desse laser CW”, explica Nathalie Picqué do Instituto Max Planck de Óptica Quântica. “E para isso você bate o laser com o pente de frequência. Portanto, o pente de frequência dá-lhe a possibilidade de medir qualquer frequência, mas num determinado momento só mede uma.”

Mudanças de intensidade

Em contraste, a espectroscopia de pente duplo expõe a amostra à luz de banda larga do próprio pente de frequência. Como a entrada é banda larga, a saída também é banda larga. No entanto, a luz que passa através da amostra combina-se com a luz de um pente de segunda frequência com uma frequência de repetição ligeiramente diferente num interferómetro. A mudança de intensidade da luz que emerge do interferômetro é registrada (ver figura).

Se a amostra não interagiu com o primeiro pente de frequência – a mudança periódica de intensidade simplesmente reflete a diferença na frequência de repetição entre os pentes. Porém, se a amostra absorver luz do pente, isso altera a forma da modulação de intensidade. As frequências absorvidas podem ser recuperadas a partir de uma transformada de Fourier deste padrão de interferência temporal.

A espectroscopia de pente duplo tem sido muito bem sucedida em frequências infravermelhas. Usar a técnica em frequências mais altas, entretanto, é problemático. “Não existem lasers ultrarrápidos que emitem diretamente na região ultravioleta”, explica Picqué, “então você precisa usar conversão de frequência não linear, e quanto mais você quiser ir para o ultravioleta, mais estágios de conversão de frequência não linear você precisa." A conversão ascendente de frequência não linear é muito ineficiente, portanto a potência cai em cada estágio.

Solução de baixo consumo de energia

Até agora, a maioria dos pesquisadores se concentrou em aumentar a potência do laser infravermelho de entrada. “Você tem um experimento muito desafiador com lasers de alta potência, muito ruído e um sistema muito caro”, diz Picqué. Na nova pesquisa, portanto, Picqué, Hänsch e colegas do Instituto Max Planck de Óptica Quântica criaram um sistema com potência solicitada muito menor.

Os pesquisadores converteram dois pentes infravermelhos duas vezes, primeiro em um cristal de niobato de lítio e depois em triborato de bismuto. Os pentes ultravioleta resultantes geraram potências ópticas médias de no máximo 50 pW. Os pesquisadores passaram um deles por uma célula de gás césio aquecido, enquanto o outro foi enviado direto para o interferômetro. Um braço do interferômetro foi enviado para um contador de fótons único. “Na verdade, existem muito poucas contagens”, diz Picqué; “Se você fizer uma varredura, o sinal não se parecerá com nada.” No entanto, eles repetiram exatamente a mesma varredura indefinidamente. “Quando repetimos a varredura 100,000 ou quase um milhão de vezes, obtemos nosso sinal de interferência no domínio do tempo, que é o sinal que procuramos.”

Em cerca de 150 s de tempo de varredura, os pesquisadores conseguiram resolver duas transições atômicas no césio que possuem frequências semelhantes, com relações sinal-ruído de cerca de 200. Eles também puderam observar a divisão de uma das transições causada pela interação hiperfina. .

“A ideia de trabalhar com níveis de luz muito baixos é muito contraintuitiva”, diz Picqué. “Mostramos que a técnica pode funcionar com potências ópticas um milhão de vezes mais fracas do que as utilizadas anteriormente.” Eles agora esperam chegar a comprimentos de onda ainda mais curtos no ultravioleta do vácuo. Além da espectroscopia ultravioleta, a capacidade de utilizar espectroscopia de pente duplo em potências muito baixas poderia ser útil em uma variedade de outras situações, explica Picqué, como onde as amostras são propensas a danos por radiação.

Especialista em pente duplo Jason Jones da Universidade do Arizona, que faz experimentos no vácuo ultravioleta, está entusiasmado com o trabalho de Max Planck. “Não importa o quão longe você vá no ultravioleta, você sempre terá uma quantidade mínima de luz devido à forma como ela é gerada, então se você puder usar menos luz, você sempre poderá ir mais fundo”, diz ele. “Ser capaz de usar fótons únicos e ainda obter bons resultados espectroscópicos de sinal-ruído é significativo para isso.”

A pesquisa é descrita em Natureza.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/