У дослідженні, нещодавно опублікованому в Nature, дослідники з Інституту Макса Борна в Берліні, Німеччина, та Інституту квантової оптики Макса-Планка в Гархінге оприлюднили нову техніку для розшифровки властивостей матерії за допомогою світла, яка може одночасно виявляти і точно виявляти кількісно визначити багато речовин з високою хімічною селективністю.
Їхня техніка досліджує атоми та молекули в ультрафіолетовій області спектру при дуже слабкому освітленні. Використовуючи дві оптичні частотні гребінки та лічильник фотонів, експерименти відкривають захоплюючі перспективи для проведення подвійної гребінчастої спектроскопії в умовах слабкого освітлення та відкривають шлях для нових застосувань діагностики на фотонному рівні, таких як точна спектроскопія окремих атомів або молекул для фундаментальних випробувань фізики та ультрафіолетової фотохімії в атмосфері Землі або з космічних телескопів.
Досягнення ультрафіолетової спектроскопії
Ультрафіолетова спектроскопія відіграє вирішальну роль у вивченні електронних переходів в атомах і ровібронних переходів у молекулах. Ці дослідження необхідні для перевірки фундаментальної фізики, теорії квантової електродинаміки, визначення фундаментальних констант, точних вимірювань, оптичних годинників, спектроскопії високої роздільної здатності на підтримку атмосферної хімії та астрофізики, а також фізики сильного поля.
Вчені з групи Наталі Піке зробили значний стрибок у галузі ультрафіолетової спектроскопії, успішно впровадивши лінійну абсорбційну подвійну гребінчасту спектроскопію високої роздільної здатності в ультрафіолетовому спектральному діапазоні. Це новаторське досягнення відкриває нові можливості для проведення експериментів в умовах слабкого освітлення, прокладаючи шлях до нових застосувань у різних наукових і технологічних галузях.
Принципи та проблеми двогребінчастої спектроскопії
Спектроскопія з подвійною гребінкою, потужна техніка для точної спектроскопії в широких спектральних діапазонах, в основному використовується для інфрачервоного лінійного поглинання малих молекул у газовій фазі. Він ґрунтується на вимірюванні залежних від часу інтерференції між двома частотними гребінками з дещо різними частотами повторення. Частотний гребінець – це спектр рівномірно розташованих фазово-когерентних лазерних ліній, який діє як лінійка для вимірювання частоти світла з надзвичайною точністю. Техніка подвійної гребінки не страждає від геометричних обмежень, пов’язаних із традиційними спектрометрами, і пропонує великий потенціал для високої точності.
Однак для спектроскопії з подвійною гребінкою зазвичай потрібні інтенсивні лазерні промені, що робить її менш придатною для сценаріїв, коли низький рівень освітлення є критичним. Наразі команда експериментально продемонструвала, що спектроскопію з подвійною гребінкою можна ефективно використовувати в умовах недостатнього освітлення з рівнями потужності, які в мільйон разів нижчі за ті, що зазвичай використовуються.
Цей прорив був досягнутий за допомогою двох різних експериментальних установок з різними типами генераторів частотної гребінки. Команда розробила інтерферометр фотонного рівня, який точно записує статистику підрахунку фотонів, демонструючи співвідношення сигнал/шум на фундаментальній межі. Це досягнення підкреслює оптимальне використання доступного світла для експериментів і відкриває перспективу подвійної гребінчастої спектроскопії в складних сценаріях, коли низький рівень освітлення є важливим.
Подолання технічних проблем і майбутні застосування
Дослідники розв’язали проблеми, пов’язані зі створенням ультрафіолетових частотних гребінок і створенням подвійних гребінчастих інтерферометрів із тривалим часом когерентності, прокладаючи шлях для досягнення цієї бажаної мети. Вони чудово контролювали взаємну когерентність двох гребінчастих лазерів з одним фемтоватом на лінію гребінки, демонструючи оптимальне накопичення статистики підрахунку їхнього сигналу перешкод протягом часу, що перевищує одну годину. «Наш інноваційний підхід до інтерферометрії при слабкому освітленні долає проблеми, пов’язані з низькою ефективністю нелінійного перетворення частоти, і закладає міцну основу для розширення подвійної гребінчастої спектроскопії на ще коротші довжини хвилі», – коментує Бінсін Сю, науковий співробітник, який очолював експерименти.
Дійсно, переконливим майбутнім застосуванням є розробка подвійної гребінчастої спектроскопії на коротких довжинах хвиль, щоб забезпечити точну молекулярну спектроскопію у вакуумі та ультрафіолетовому випромінюванні в широкому спектральному діапазоні. Зараз широкосмугова екстремальна УФ-спектроскопія має обмежену роздільну здатність і точність і покладається на унікальне обладнання в спеціалізованих установах.
«Ультрафіолетова подвійна гребінчаста спектроскопія, незважаючи на складну мету, тепер стала реальною в результаті наших досліджень. Важливо те, що наші результати розширюють усі можливості спектроскопії з подвійною гребінкою в умовах слабкого освітлення, відкриваючи нові застосування в прецизійній спектроскопії, біомедичному зондуванні та зондуванні навколишньої атмосфери. Що стосується більш особистого, ця віха стала результатом експерименту, проведеного в Інституті квантової оптики Макса Планка та завершеного, тоді як я вже обійняв посаду директора в Інституті Макса Борна. Я не можу уявити більш захоплюючого способу переходу до нового інституту. Тепер MBI проведе наші наступні захоплюючі експерименти в цій галузі!» Наталі Піке підсумовує.
Розвиток спектроскопії з подвійною гребінкою в діапазоні коротких хвиль обіцяє прогрес у кількох наукових і технологічних галузях, що підкреслює важливість цього досягнення.