Un nouveau peigne de fréquence peut identifier des molécules dans des instantanés de 20 nanosecondes

De la surveillance des concentrations de gaz à effet de serre à la détection du COVID dans l’haleine, les systèmes laser connus sous le nom de peignes de fréquence peuvent identifier des molécules spécifiques aussi simples que le dioxyde de carbone et aussi complexes que les anticorps monoclonaux avec une précision et une sensibilité sans précédent. Cependant, aussi étonnants soient-ils, les peignes de fréquence ont été limités dans la rapidité avec laquelle ils peuvent capturer un processus à grande vitesse tel que la propulsion hypersonique ou le repliement de protéines dans leurs formes tridimensionnelles finales.

Aujourd’hui, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), de Toptica Photonics AG et de l’Université du Colorado à Boulder ont développé un système de peigne de fréquence capable de détecter la présence de molécules spécifiques dans un échantillon toutes les 20 nanosecondes, soit des milliardièmes de seconde. .

Grâce à cette nouvelle capacité, les chercheurs peuvent potentiellement utiliser des peignes de fréquence pour mieux comprendre les étapes intermédiaires d’une fraction de seconde dans des processus rapides allant du fonctionnement des moteurs à réaction hypersoniques aux réactions chimiques entre les enzymes qui régulent la croissance cellulaire. L’équipe de recherche a annoncé ses résultats dans un article publié dans Photonique naturelle.

Dans leur expérience, les chercheurs ont utilisé la configuration désormais courante du peigne à double fréquence, qui contient deux faisceaux laser qui fonctionnent ensemble pour détecter le spectre de couleurs absorbées par une molécule. La plupart des configurations de peignes à double fréquence impliquent deux lasers femtosecondes, qui envoient une paire d’impulsions ultrarapides de manière synchronisée.

Dans cette nouvelle expérience, les chercheurs ont utilisé une configuration plus simple et moins coûteuse connue sous le nom de « peignes électro-optiques », dans laquelle un seul faisceau de lumière continu est d’abord divisé en deux faisceaux. Ensuite, un modulateur électronique produit des champs électriques qui modifient chaque faisceau lumineux, les transformant en « dents » individuelles d’un peigne de fréquence. Chaque dent est une couleur ou une fréquence de lumière spécifique qui peut ensuite être absorbée par une molécule d’intérêt.

Alors que les peignes à fréquence conventionnels peuvent avoir des milliers, voire des millions de dents, le peigne électro-optique des chercheurs n’en avait que 14 lors d’une expérience expérimentale typique. Cependant, en conséquence, chaque dent avait une puissance optique beaucoup plus élevée et était très différente des autres en termes de fréquence, ce qui produisait un signal clair et fort qui permettait aux chercheurs de détecter des changements dans l’absorption de la lumière à l’échelle de temps de 20 nanosecondes.

Dans leur démonstration, les chercheurs ont utilisé l’instrument pour mesurer des impulsions supersoniques de CO₂ émergeant d’une petite buse dans une chambre remplie d’air. Ils ont mesuré le CO₂ rapport de mélange, la proportion de dioxyde de carbone dans l’air. L’évolution de la concentration de CO₂ a parlé aux chercheurs du mouvement du pouls. Les chercheurs ont vu comment le CO₂ interagissait avec l’air et créait des oscillations de pression atmosphérique dans son sillage. De tels détails sont souvent difficiles à obtenir avec précision, même avec les simulations informatiques les plus sophistiquées.

“Dans un système plus complexe comme un moteur d’avion, nous pourrions utiliser cette approche pour examiner une espèce d’intérêt particulière, comme l’eau, le carburant ou le CO.₂, pour observer la chimie. Nous pouvons également utiliser cette approche pour mesurer des éléments tels que la pression, la température ou la vitesse en examinant les changements dans le signal », a déclaré David Long, chercheur chimiste au NIST. Les informations issues de ces expériences pourraient fournir des informations susceptibles de conduire à des améliorations de la conception des moteurs à combustion. ou une meilleure compréhension de la façon dont les gaz à effet de serre interagissent avec l’atmosphère.

Un composant spécial de la configuration, connu sous le nom d’oscillateur paramétrique optique, a été utilisé pour déplacer les dents du peigne du proche infrarouge vers les couleurs infrarouges moyennes absorbées par le CO.₂. Mais l’oscillateur paramétrique optique peut également être réglé sur d’autres régions de l’infrarouge moyen afin que les peignes puissent détecter d’autres molécules absorbant la lumière dans ces régions.

Le document comprend des informations que d’autres chercheurs peuvent utiliser pour créer un système similaire en laboratoire, rendant cette nouvelle technique largement disponible dans de nombreux domaines de recherche et industries.

“Ce qui est vraiment spécial dans ce travail, c’est qu’il réduit considérablement la barrière à l’entrée pour les chercheurs qui souhaitent utiliser des peignes de fréquence pour étudier des processus rapides”, a déclaré le co-auteur Greg Rieker, professeur à l’Université du Colorado à Boulder et ancien NIST. associé de recherche.

“Avec cette configuration, vous pouvez générer n’importe quel peigne de votre choix. La possibilité de réglage, la flexibilité et la rapidité de cette méthode ouvrent la porte à de nombreux types de mesures différents”, a déclaré Long.