Une technique laser capable de scanner et de se verrouiller sur des signaux de vibration moléculaire qui sont normalement trop complexes pour être résolus clairement pourrait permettre la production de capteurs pour l'identification de plusieurs espèces dans des environnements difficiles, y compris les émissions industrielles.

Les caractéristiques de type ressort des liaisons chimiques provoquent le tremblement et la rotation des molécules lorsqu'elles sont stimulées par la lumière infrarouge. Les motifs résultant de ces excitations peuvent identifier de manière unique des substances, en particulier dans la région des empreintes digitales, une bande de fréquences couvrant le spectre moyen infrarouge. Dans des environnements réalistes, cependant, les vibrations dans la région des empreintes digitales deviennent floues et difficiles à résoudre en raison du chevauchement des signaux.

Une façon de détecter les signatures moléculaires individuelles consiste à utiliser des lasers de haute précision, mais ces sources lumineuses fonctionnent normalement soit à des fréquences fixes, soit balayent une gamme de fréquences très limitée dans la bande des infrarouges moyens. Maintenant, une équipe de recherche, dont Bidoor AlSaif et Aamir Farooq de KAUST, rapporte avoir surmonté ces restrictions avec un laser accordable qui peut être calibré par des lignes optiques également espacées connues sous le nom de peignes de fréquence.

Les lasers à cascade quantique utilisent des transitions tunnel entre les nanostructures fabriquées pour générer de la lumière infrarouge moyen. En construisant les dispositifs de telle sorte que l'amplification optique se produise dans un externe, cavité commandée par miroir, les émissions de fréquence peuvent couvrir toute la région des empreintes digitales. La mise en œuvre de ces fonctionnalités dans des spectromètres qui scannent et enregistrent les vibrations moléculaires a été entravée, cependant, par le bruit électrique naturel des électrons à effet tunnel.

« Les lasers à cascade quantique à cavité externe ont tendance à avoir un comportement de gigue élevé, ce qui est problématique pour les applications de spectroscopie de précision, " explique AlSaif. " C'est pourquoi nous avons développé une idée pour verrouiller le laser à cascade quantique dans l'infrarouge moyen sur un peigne de fréquence dans le proche infrarouge. "

L'équipe KAUST et ses collègues italiens ont combiné l'émission d'un laser à cascade quantique et d'un peigne de fréquence à l'aide d'un processus optique non linéaire appelé génération de fréquence somme qui n'apparaît que lorsque deux photons interagissent fortement. Les effets de gigue pourraient être stabilisés en surveillant les signaux de battement causés par les différences de fréquences optiques entre le peigne de fréquence et le faisceau calibré.

Pour démontrer les applications potentielles du spectromètre, les chercheurs ont testé l'appareil sur du protoxyde d'azote (N2O), une composante atmosphérique liée à la fois à l'appauvrissement de la couche d'ozone et au réchauffement climatique. Surmonter les limitations de la gigue systématique a fourni une résolution moléculaire frappante - même les signaux de rotation faibles qui se produisent lorsque le N2O absorbe la lumière ont été observés superposés aux empreintes vibratoires.

« Les données spectroscopiques précises sont très rares dans l'infrarouge moyen, " dit Farooq. " Ce type d'appareil a la possibilité non seulement de faire de larges relevés spectraux, mais sera également très utile dans les capteurs optiques."