Novo pente de frequência pode identificar moléculas em instantâneos de 20 nanossegundos

Desde o monitoramento das concentrações de gases de efeito estufa até a detecção de COVID na respiração, os sistemas de laser conhecidos como pentes de frequência podem identificar moléculas específicas tão simples como o dióxido de carbono e tão complexas quanto os anticorpos monoclonais com precisão e sensibilidade sem precedentes. Por mais surpreendentes que sejam, no entanto, os pentes de frequência têm sido limitados na rapidez com que podem capturar um processo de alta velocidade, como a propulsão hipersônica ou o dobramento de proteínas em suas formas tridimensionais finais.

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), da Toptica Photonics AG e da Universidade do Colorado Boulder desenvolveram um sistema de pente de frequência que pode detectar a presença de moléculas específicas em uma amostra a cada 20 nanossegundos, ou bilionésimos de segundo. . Com esta nova capacidade, os pesquisadores podem potencialmente usar pentes de frequência para compreender melhor as etapas intermediárias de frações de segundo em processos rápidos que vão desde o funcionamento de motores a jato hipersônicos até as reações químicas entre enzimas que regulam o crescimento celular. A equipe de pesquisa anunciou seus resultados em um artigo publicado em Fotônica da Natureza.

Em seu experimento, os pesquisadores usaram a agora comum configuração de pente de dupla frequência, que contém dois feixes de laser que trabalham juntos para detectar o espectro de cores que uma molécula absorve. A maioria das configurações de pente de frequência dupla envolve dois lasers de femtossegundos, que enviam um par de pulsos ultrarrápidos em sincronia.

Neste novo experimento, os pesquisadores usaram uma configuração mais simples e barata conhecida como “pentes eletro-ópticos”, na qual um único feixe contínuo de luz é primeiro dividido em dois feixes. Então, um modulador eletrônico produz campos elétricos que alteram cada feixe de luz, moldando-os nos “dentes” individuais de um pente de frequência. Cada dente tem uma cor ou frequência de luz específica que pode então ser absorvida por uma molécula de interesse.

Enquanto os pentes de frequência convencionais podem ter milhares ou até milhões de dentes, o pente eletro-óptico dos pesquisadores tinha apenas 14 em uma execução experimental típica. No entanto, como resultado, cada dente tinha uma potência óptica muito maior e estava distante dos outros em frequência, resultando num sinal claro e forte que permitiu aos investigadores detectar alterações na absorção de luz na escala de tempo de 20 nanossegundos.

Na demonstração, os pesquisadores usaram o instrumento para medir pulsos supersônicos de CO₂ emergindo de um pequeno bocal em uma câmara cheia de ar. Eles mediram o CO₂ proporção de mistura, a proporção de dióxido de carbono no ar. A mudança na concentração de CO₂ contou aos pesquisadores sobre o movimento do pulso. Os pesquisadores viram como o CO₂ interagiu com o ar e criou oscilações na pressão do ar em seu rastro. Tais detalhes são muitas vezes difíceis de obter com precisão, mesmo com as simulações computacionais mais sofisticadas.

“Em um sistema mais complicado, como um motor de avião, poderíamos usar essa abordagem para observar uma espécie específica de interesse, como água, combustível ou CO.₂, para observar a química. Também podemos usar essa abordagem para medir coisas como pressão, temperatura ou velocidade, observando as mudanças no sinal”, disse o químico pesquisador do NIST David Long. As informações desses experimentos podem fornecer insights que podem levar a melhorias no projeto de motores de combustão, ou uma melhor compreensão de como os gases de efeito estufa interagem com a atmosfera.

Um componente especial na configuração, conhecido como oscilador paramétrico óptico, foi usado para mudar os dentes do pente do infravermelho próximo para as cores do infravermelho médio absorvidas pelo CO.₂. Mas o oscilador paramétrico óptico também pode ser sintonizado para outras regiões do infravermelho médio, para que os pentes possam detectar outras moléculas que absorvem luz nessas regiões.

O artigo inclui informações que outros pesquisadores podem usar para construir um sistema semelhante no laboratório, tornando esta nova técnica amplamente disponível em muitos campos de pesquisa e indústrias.

“O que é verdadeiramente especial neste trabalho é que ele reduz substancialmente a barreira de entrada para pesquisadores que gostariam de usar pentes de frequência para estudar processos rápidos”, disse o coautor Greg Rieker, professor da Universidade do Colorado em Boulder e ex-NIST. pesquisador associado.

“Com esta configuração, você pode gerar qualquer pente que desejar. A sintonização, flexibilidade e velocidade deste método abrem a porta para muitos tipos diferentes de medições”, disse Long.

Este trabalho foi apoiado em parte pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.