Sistem ultravijolične spektroskopije z dvojnim glavnikom šteje posamezne fotone – Svet fizike

<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 sod/Narava/ CC BY 4.0 DEED)” title=”Kliknite, da odprete sliko v pojavnem oknu” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts- single-photons-physics-world.jpg”>

Spektroskopija z dvojnim glavnikom – absorpcijska spektroskopija, ki uporablja interferenco med dvema frekvenčnima glavnikoma – je bila izvedena pri ultravijoličnih valovnih dolžinah z uporabo posameznih fotonov. Delo bi lahko pripeljalo do uporabe tehnike pri krajših valovnih dolžinah, kjer visokozmogljivi glavnikasti laserji niso na voljo. Tehnika bi lahko našla tudi nove aplikacije.

Od izuma na začetku 21. stoletja so frekvenčni glavniki postali pomembno orodje v optiki. Kot rezultat, Theodor Hänsch z Inštituta Maxa Plancka za kvantno optiko v Nemčiji in John Hall z ameriškega Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo sta si leta 2005 za svoj izum razdelila Nobelovo nagrado. Frekvenčni glavnik obsega kratke, periodične svetlobne impulze, ki vsebujejo zelo širok spekter svetlobe z vrhovi intenzivnosti v rednih frekvenčnih intervalih – ki spominjajo na zobe glavnika. Takšni spektri so še posebej uporabni, kadar je potrebna svetloba z natančno določeno frekvenco, na primer v atomskih urah ali spektroskopiji.

V tradicionalni spektroskopiji se lahko frekvenčni glavnik uporablja kot »optično ravnilo« pri sondiranju vzorca z drugim laserjem. »Imate laser z neprekinjenim valovanjem (CW) v interakciji z vzorcem, ki ga želite analizirati, in želite izmeriti absolutno frekvenco tega CW laserja,« pojasnjuje Nathalie Picque z Inštituta Maxa Plancka za kvantno optiko. »In za to ste premagali laser s frekvenčnim glavnikom. Tako vam frekvenčni glavnik daje možnost merjenja katere koli frekvence, vendar v danem trenutku merite samo eno.«

Spremembe intenzivnosti

Nasprotno pa spektroskopija z dvojnim glavnikom vzorec izpostavi širokopasovni svetlobi iz samega frekvenčnega glavnika. Ker je vhod širokopasovni, je tudi izhod širokopasovni. Vendar pa se svetloba, ki prehaja skozi vzorec, kombinira s svetlobo iz drugega frekvenčnega glavnika z nekoliko drugačno frekvenco ponavljanja na interferometru. Zabeleži se spreminjajoča se jakost svetlobe, ki izhaja iz interferometra (glej sliko).

Če vzorec ni sodeloval s prvim frekvenčnim glavnikom – periodična sprememba intenzivnosti preprosto odraža razliko v frekvenci ponavljanja med glavnikoma. Če pa vzorec absorbira svetlobo iz glavnika, to spremeni obliko modulacije intenzitete. Absorbirane frekvence je mogoče pridobiti iz Fourierjeve transformacije tega časovnega interferenčnega vzorca.

Spektroskopija z dvojnim glavnikom je bila zelo uspešna pri infrardečih frekvencah. Vendar pa je uporaba tehnike pri višjih frekvencah problematična. »Ni ultrahitrih laserjev, ki neposredno oddajajo v ultravijoličnem območju,« pojasnjuje Picqué, »zato morate uporabiti nelinearno pretvorbo frekvence, in bolj kot želite iti v ultravijolično, več je stopenj nelinearne pretvorbe frekvence. potrebuješ." Nelinearna pretvorba frekvence navzgor je zelo neučinkovita, zato moč pade na vsaki stopnji.

Rešitev z nizko porabo energije

Do zdaj se je večina raziskovalcev osredotočila na povečanje moči prihajajočega infrardečega laserja. "Imate zelo zahteven eksperiment z visokozmogljivimi laserji, veliko hrupa in zelo dragim sistemom," pravi Picqué. V novi raziskavi so zato Picqué, Hänsch in sodelavci na Inštitutu Max Planck za kvantno optiko ustvarili sistem z veliko nižjo zahtevano močjo.

Raziskovalci so dva infrardeča glavnika dvakrat pretvorili navzgor, najprej v kristal litijevega niobata in nato v bizmutov triborat. Nastali ultravijolični glavniki so ustvarili povprečne optične moči največ 50 pW. Raziskovalci so enega od teh spustili skozi celico segretega plina cezija, medtem ko so drugega poslali naravnost v interferometer. Ena roka interferometra je bila poslana na števec posameznih fotonov. "Res je zelo malo štetij," pravi Picqué; "Če posnamete eno skeniranje, signal ni videti nič." Vendar so nato znova in znova ponavljali natanko isto skeniranje. "Ko skeniranje ponovimo 100,000 ali skoraj milijonkrat, dobimo interferenčni signal časovne domene, ki je signal, ki ga iščemo."

V približno 150 sekundah časa skeniranja so lahko raziskovalci razrešili dva atomska prehoda v ceziju, ki imata podobne frekvence, z razmerjem signal/šum približno 200. Prav tako so lahko opazili cepitev enega od prehodov, ki ga povzroča hiperfina interakcija .

"Zamisel o delu pri zelo nizkih ravneh svetlobe je zelo kontraintuitivna," pravi Picqué. "Pokažemo, da lahko tehnika deluje z optičnimi močmi, ki so milijonkrat šibkejše od tistih, ki so bile uporabljene prej." Zdaj upajo, da bodo dosegli še krajše valovne dolžine v vakuumskem ultravijoličnem sevanju. Poleg ultravijolične spektroskopije bi se lahko zmožnost uporabe spektroskopije z dvojnim glavnikom pri zelo nizkih močeh izkazala za koristno v številnih drugih situacijah, pojasnjuje Picqué, na primer tam, kjer so vzorci nagnjeni k poškodbam zaradi sevanja.

Strokovnjak za dvojni glavnik Jason Jones Univerze v Arizoni, ki izvaja eksperimente daleč v vakuumskem ultravijoličnem sevanju, je navdušen nad delom Maxa Plancka. »Ne glede na to, kako daleč greste v ultravijolično sevanje, boste vedno imeli nekaj minimalne količine svetlobe zaradi načina njenega ustvarjanja, tako da če lahko uporabite manj svetlobe, boste vedno lahko šli globlje,« pravi. "Za to je pomembno, da lahko uporabimo posamezne fotone in še vedno dobimo dobre spektroskopske rezultate signal-šum."

Raziskava je opisana v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/