Des chercheurs de l'Université du Michigan ont mis au point une méthode laser qui pourrait être utilisée pour détecter rapidement et avec précision des produits chimiques tels que des explosifs et des gaz dangereux.

Finalement, cette méthode pourrait être utilisée dans les systèmes placés dans les aéroports, pour la surveillance environnementale des polluants ou encore sur les champs de bataille, a déclaré l'auteur Steven Cundiff, professeur de physique à la Faculté des lettres, Science, et les Arts. L'étude, menée par la chercheuse en physique Bachana Lomsadze, publie aujourd'hui dans Science .

La méthode de Lomsadze et Cundiff combine deux techniques qui accélèrent la détection laser de produits chimiques tout en le faisant avec précision. La première technique est basée sur la même idée que la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, qui utilise des radiofréquences pour identifier la structure des molécules. Ici, les chercheurs utilisent une méthode appelée spectroscopie cohérente multidimensionnelle, ou MDCS. Le MDCS utilise des impulsions laser ultracourtes pour lire les types de gaz comme un code à barres. Lorsque les scientifiques font rebondir les impulsions laser à travers le mélange de gaz, ces impulsions peuvent "lire" les longueurs d'onde spécifiques de la lumière - ou de la couleur - que des gaz spécifiques absorbent.

"Si vous avez de la lumière qui traverse le gaz, et, par exemple, vous utilisez un prisme pour séparer la lumière blanche en lumière colorée, dans le spectre de l'arc-en-ciel, vous verriez qu'il y aurait des rayures noires, " a déclaré Cundiff. "L'endroit où se trouvent les bandes noires vous donne presque un code-barres qui vous indique quel type de molécule se trouve dans l'échantillon."

Les scientifiques ont travaillé sur des méthodes plus simples. De nombreuses molécules importantes ont un spectre très riche pour certaines couleurs de lumière, bien que les "couleurs" puissent en fait être dans l'infrarouge, donc pas visible à l'œil humain, ce qui les rend facilement identifiables. Mais cela devient difficile lorsque les scientifiques tentent d'identifier des gaz dans un mélange. Précédemment, les scientifiques se sont appuyés sur la comparaison de ce qu'ils ont mesuré avec un catalogue de molécules, un processus qui nécessite des ordinateurs hautes performances et beaucoup de temps.

"C'est comme essayer de regarder les empreintes digitales de trois personnes les unes sur les autres. C'est une pierre d'achoppement pour l'utilisation de ces méthodes dans une situation réelle, " a déclaré Cundiff. "Notre méthode prend environ 15 minutes à quelques heures en utilisant les approches traditionnelles de MDCS."

Pour accélérer le processus tout en préservant sa précision, les chercheurs de l'UM ont combiné le MDCS avec une autre méthode appelée spectroscopie à double peigne.

Les peignes de fréquence sont des sources laser qui génèrent des spectres constitués de lignes nettes équidistantes qui sont utilisées comme règles pour mesurer les caractéristiques spectrales des atomes et des molécules avec une précision extrêmement élevée. En spectroscopie, à l'aide de deux peignes de fréquence, connue sous le nom de spectroscopie à double peigne, fournit un moyen élégant d'acquérir rapidement un spectre haute résolution sans éléments mécaniques mobiles tels qu'un "cube d'angle, " qui est trois miroirs disposés pour faire un coin, utilisé pour réfléchir un faisceau laser directement sur lui-même. Cet élément limite généralement le temps nécessaire aux chercheurs pour mesurer un spectre.

"Cette approche pourrait permettre à la méthode de spectroscopie cohérente multidimensionnelle de s'échapper du laboratoire et d'être utilisée pour des applications pratiques telles que la détection d'explosifs ou la surveillance des constituants atmosphériques, " a déclaré Cundiff.

Lomsadze et Cundiff ont appliqué leur méthode à une vapeur d'atomes de rubidium contenant deux isotopes de rubidium. La différence de fréquence entre les raies d'absorption pour les deux isotopes est trop petite pour être observée en utilisant les approches traditionnelles de MDCS, mais en utilisant des peignes, Lomsadze et Cundiff ont pu résoudre ces raies et attribuer les spectres des isotopes en fonction de la manière dont les niveaux d'énergie étaient couplés les uns aux autres. Leur méthode est générale et peut être utilisée pour identifier des produits chimiques dans un mélange sans connaître au préalable la composition du mélange.

Prochain, les chercheurs prévoient d'ajouter un troisième laser qui pourrait encore plus accélérer leur capacité à identifier les gaz. Ils prévoient également d'utiliser des lasers à base de fibres optiques afin de pouvoir approfondir la lumière infrarouge, ce qui augmenterait le nombre de produits chimiques qu'ils seraient en mesure d'identifier.