Φασματοσκοπία διπλής χτένας – φασματοσκοπία απορρόφησης που χρησιμοποιεί την παρεμβολή μεταξύ δύο χτενών συχνοτήτων – έχει πραγματοποιηθεί σε μήκη κύματος υπεριώδους με χρήση μεμονωμένων φωτονίων. Η εργασία θα μπορούσε να οδηγήσει στη χρήση της τεχνικής σε μικρότερα μήκη κύματος, όπου δεν είναι διαθέσιμα λέιζερ χτενίσματος υψηλής ισχύος. Η τεχνική θα μπορούσε επίσης να βρει νέες εφαρμογές.
Από την εφεύρεσή τους στην αυγή του 21ου αιώνα, οι χτένες συχνότητας έχουν γίνει σημαντικά εργαλεία στην οπτική. Σαν άποτέλεσμα, Theodor Hänsch του Ινστιτούτου Max Planck για την Κβαντική Οπτική στη Γερμανία και John Hall του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ μοιράστηκαν το Νόμπελ του 2005 για την εφεύρεσή τους. Μια χτένα συχνότητας περιλαμβάνει σύντομους, περιοδικούς παλμούς φωτός που περιέχουν ένα πολύ ευρύ φάσμα φωτός με κορυφές έντασης σε τακτά διαστήματα συχνότητας – που μοιάζουν με τα δόντια μιας χτένας. Τέτοια φάσματα είναι ιδιαίτερα χρήσιμα όποτε χρειάζεται φως σε μια επακριβώς καθορισμένη συχνότητα, όπως σε ατομικά ρολόγια ή φασματοσκοπία.
Στην παραδοσιακή φασματοσκοπία, μια χτένα συχνότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως «οπτικός χάρακας» κατά την ανίχνευση ενός δείγματος με άλλο λέιζερ. "Έχετε ένα λέιζερ συνεχούς κύματος [CW] που αλληλεπιδρά με το δείγμα που θέλετε να αναλύσετε και θέλετε να μετρήσετε την απόλυτη συχνότητα αυτού του λέιζερ CW", εξηγεί Ναταλί Πικέ του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Max Planck. «Και για αυτό νικάς το λέιζερ με τη χτένα συχνότητας. Έτσι, η χτένα συχνότητας σάς δίνει τη δυνατότητα να μετρήσετε οποιαδήποτε συχνότητα, αλλά σε δεδομένη στιγμή μετράτε μόνο μία.»
Η ένταση αλλάζει
Αντίθετα, η φασματοσκοπία διπλής χτένας εκθέτει το δείγμα σε ευρυζωνικό φως από μια ίδια τη χτένα συχνότητας. Καθώς η είσοδος είναι ευρυζωνική, η έξοδος είναι επίσης ευρυζωνική. Ωστόσο, το φως που διέρχεται από το δείγμα συνδυάζεται με το φως από μια δεύτερη χτένα συχνότητας με ελαφρώς διαφορετική συχνότητα επανάληψης σε ένα συμβολόμετρο. Καταγράφεται η μεταβαλλόμενη ένταση του φωτός που αναδύεται από το συμβολόμετρο (βλ. εικόνα).
Εάν το δείγμα δεν έχει αλληλεπιδράσει με την πρώτη χτένα συχνότητας - η περιοδική αλλαγή της έντασης απλώς αντανακλά τη διαφορά στη συχνότητα επανάληψης μεταξύ των χτενών. Ωστόσο, εάν το δείγμα απορροφά φως από τη χτένα, αυτό αλλάζει το σχήμα της διαμόρφωσης έντασης. Οι απορροφούμενες συχνότητες μπορούν να ανακτηθούν από έναν μετασχηματισμό Fourier αυτού του μοτίβου χρονικής παρεμβολής.
Η φασματοσκοπία διπλής χτένας ήταν πολύ επιτυχημένη στις υπέρυθρες συχνότητες. Ωστόσο, η χρήση της τεχνικής σε υψηλότερες συχνότητες είναι προβληματική. «Δεν υπάρχουν υπεργρήγορα λέιζερ που εκπέμπουν απευθείας στην υπεριώδη περιοχή», εξηγεί ο Picqué, «έτσι πρέπει να χρησιμοποιήσετε μη γραμμική μετατροπή συχνότητας και όσο περισσότερο θέλετε να μεταβείτε στο υπεριώδες, τόσο περισσότερα στάδια μη γραμμικής μετατροπής συχνότητας χρειάζεσαι." Η μη γραμμική ανοδική μετατροπή συχνότητας είναι πολύ αναποτελεσματική, επομένως η ισχύς πέφτει σε κάθε στάδιο.
Λύση χαμηλής ισχύος
Μέχρι στιγμής, οι περισσότεροι ερευνητές έχουν επικεντρωθεί στην αύξηση της ισχύος στο εισερχόμενο υπέρυθρο λέιζερ. "Έχετε ένα πολύ δύσκολο πείραμα με λέιζερ υψηλής ισχύος, πολύ θόρυβο και ένα πολύ ακριβό σύστημα", λέει ο Picqué. Στη νέα έρευνα, λοιπόν, ο Picqué, ο Hänsch και οι συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική δημιούργησαν ένα σύστημα με πολύ χαμηλότερη απαιτούμενη ισχύ.
Οι ερευνητές μετέτρεψαν δύο χτένες υπερύθρων δύο φορές, πρώτα σε κρύσταλλο νιοβικού λιθίου και στη συνέχεια σε τριβορικό βισμούθιο. Οι προκύπτουσες υπεριώδεις χτένες παρήγαγαν μέση οπτική ισχύ το πολύ 50 pW. Οι ερευνητές πέρασαν ένα από αυτά μέσα από μια κυψέλη θερμαινόμενου αερίου καισίου, ενώ το άλλο στάλθηκε κατευθείαν στο συμβολόμετρο. Ο ένας βραχίονας του συμβολόμετρου στάλθηκε σε έναν μετρητή μόνο φωτονίων. «Υπάρχουν πραγματικά πολύ λίγες μετρήσεις», λέει ο Picqué. "Αν κάνετε μια σάρωση, το σήμα δεν μοιάζει με τίποτα." Ωστόσο, στη συνέχεια επανέλαβαν ακριβώς την ίδια σάρωση ξανά και ξανά. «Όταν επαναλαμβάνουμε τη σάρωση 100,000 ή σχεδόν ένα εκατομμύριο φορές, λαμβάνουμε το σήμα παρεμβολής στον τομέα του χρόνου, το οποίο είναι το σήμα που αναζητούμε».
Νέα τεχνική ενισχύει την απόδοση των χτενών διπλής οπτικής συχνότητας
Σε περίπου 150 δευτερόλεπτα χρόνου σάρωσης, οι ερευνητές μπόρεσαν να επιλύσουν δύο ατομικές μεταπτώσεις στο καίσιο που έχουν παρόμοιες συχνότητες, με αναλογίες σήματος προς θόρυβο περίπου 200. Μπορούσαν επίσης να παρατηρήσουν τη διάσπαση μιας από τις μεταβάσεις που προκαλούνται από την υπερλεπτή αλληλεπίδραση .
«Η ιδέα της εργασίας σε πολύ χαμηλά επίπεδα φωτισμού είναι πολύ αντιφατική», λέει ο Picqué. «Δείχνουμε ότι η τεχνική μπορεί να λειτουργήσει με οπτικές δυνάμεις που είναι ένα εκατομμύριο φορές ασθενέστερες από ό,τι είχε χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν». Τώρα ελπίζουν να πιέσουν σε ακόμη μικρότερα μήκη κύματος στο υπεριώδες κενό. Εκτός από την υπεριώδη φασματοσκοπία, η ικανότητα χρήσης φασματοσκοπίας διπλής χτένας σε πολύ χαμηλές δυνάμεις θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμη σε μια ποικιλία άλλων καταστάσεων, εξηγεί ο Picqué, όπως όπου τα δείγματα είναι επιρρεπή σε ζημιά από ακτινοβολία.
Ειδικός διπλής χτένας Jason Jones του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, ο οποίος κάνει πειράματα μακριά στο κενό υπεριώδες είναι ενθουσιασμένος με το έργο του Max Planck. «Ανεξάρτητα από το πόσο μακριά πηγαίνετε στο υπεριώδες, θα έχετε πάντα μια ελάχιστη ποσότητα φωτός λόγω του τρόπου που παράγεται, οπότε αν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε λιγότερο φως, θα μπορείτε πάντα να πάτε πιο βαθιά», λέει. «Το να μπορούμε να χρησιμοποιούμε μεμονωμένα φωτόνια και να έχουμε καλά φασματοσκοπικά αποτελέσματα σήματος προς θόρυβο είναι σημαντικό για αυτό».
Η έρευνα περιγράφεται στο Φύση.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/
