Un solo laser è sufficiente

A differenza della luce proveniente da semplici lampade, la luce laser ha una frequenza definita con estrema precisione. Questo la rende ideale per analisi spettroscopiche precise, in cui le proprietà delle sostanze vengono determinate in base alle frequenze con cui assorbono la luce. Tuttavia, per un'analisi spettroscopica completa è solitamente necessaria una certa pazienza, poiché la frequenza del laser deve essere gradualmente modificata ("scansionata") per produrre uno spettrogramma completo. I fisici dell'ETH di Zurigo, guidati da Ursula Keller dell'Istituto di Elettronica Quantistica, hanno ora dimostrato un metodo pionieristico che potrebbe rendere le analisi spettroscopiche più facili e veloci in futuro. A tal fine, hanno sviluppato una tecnica innovativa per generare i cosiddetti pettini a doppia frequenza. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica "Science".

Un righello di frequenza fatto di luce

A differenza di un normale laser, che emette luce a una frequenza, un pettine di frequenza presenta un gran numero di frequenze a distanza costante l'una dall'altra, come i segni su un righello. Ciò è possibile grazie all'uso di laser che generano impulsi di luce estremamente brevi e periodici. Queste sequenze di impulsi hanno uno spettro di frequenza simile a un pettine, che può essere ulteriormente ampliato utilizzando alcuni materiali ottici. Nel 2005 è stato assegnato il premio Nobel per la spettroscopia di precisione basata sui laser, compresa la tecnologia dei pettini di frequenza ottica, per la quale Ursula Keller, in collaborazione con Harald Telle del PTB di Braunschweig, ha fornito nel 1999 la tecnologia chiave essenziale per la stabilizzazione dei pettini di frequenza ottica.

In linea di principio, un tale pettine di frequenza potrebbe essere utilizzato per analizzare una sostanza a molte frequenze contemporaneamente. Nella spettroscopia con un normale laser, una parte della luce viene inviata attraverso la sostanza da analizzare e l'altra parte viene utilizzata come referenze. La frequenza del laser viene quindi scansionata in modo continuo e contemporaneamente vengono utilizzati due fotorivelatori per misurare la forza con cui la luce laser viene assorbita dalla sostanza alle diverse frequenze rispetto al fascio di riferimento. Lo spettrogramma caratteristico del materiale viene quindi ottenuto dalla scansione in frequenza. Purtroppo, questo metodo non è così facile da applicare a un pettine di frequenza. Le diverse componenti di frequenza presenti simultaneamente verrebbero infatti assorbite in misura diversa. Tuttavia, il fotorivelatore non sarebbe in grado di distinguerle. Per farlo, dovrebbe registrare direttamente le singole oscillazioni sovrapposte della luce, cosa che non è possibile nella pratica a causa della loro elevata frequenza di diverse centinaia di terahertz (mille miliardi di oscillazioni al secondo).

Il trucco dell'accordatore di piano

La tecnologia sviluppata da Keller e dai suoi collaboratori "traduce" queste oscillazioni veloci, non direttamente misurabili, in oscillazioni molto più lente che possono essere facilmente rilevate con l'elettronica convenzionale. Si tratta di un trucco che viene utilizzato in forma simile anche dagli accordatori di pianoforti: Per portare le diverse corde di una stessa nota alla stessa accordatura, l'accordatore di pianoforte si orienta sul battito che si verifica quando due frequenze diverse si sovrappongono. Il battito pulsa a una velocità che corrisponde alla differenza tra le due frequenze sovrapposte.

I ricercatori dell'ETH utilizzano un metodo molto simile generando un secondo pettine di frequenze le cui frequenze sono leggermente diverse tra loro rispetto a quelle del primo. In questo modo si creano coppie di frequenze, ognuna delle quali porta a una frequenza di battito leggermente diversa. Queste frequenze di battito sono ora nell'ordine dei megahertz e possono essere facilmente misurate con i fotorilevatori.

Due pettini di frequenza al prezzo di uno

Questa spettroscopia a doppio pettine esiste da diversi anni, ma la tecnica ora sviluppata all'ETH la rende molto più semplice ed economica, come spiega Sandro Link, dottorando e primo autore dello studio: "La novità sta nel fatto che generiamo i due pettini di frequenza con un solo laser invece che con due, che poi dovrebbero essere stabilizzati l'uno rispetto all'altro con grandi spese"."Il trucco: i ricercatori inseriscono un cristallo birifrangente in un laser, che fa sì che la luce percorra percorsi leggermente diversi a seconda della sua polarizzazione (cioè la direzione di oscillazione dell'onda elettromagnetica). I due fasci laser risultanti hanno quindi periodi di impulso leggermente diversi, dando origine a pettini di frequenza con spaziature di frequenza diverse. Poiché i due pettini di frequenza sono generati dallo stesso laser, non è necessaria una stabilizzazione reciproca.

Si sta già delineando un'ampia gamma di potenziali applicazioni per la nuova tecnologia. Poiché può creare uno spettrogramma completo in meno di un millesimo di secondo, è ideale per misurare la concentrazione di sostanze nell'ambiente o nei gas di scarico delle fabbriche, ad esempio. Potrebbe anche essere utilizzato per analizzare rapidamente i gas a flusso rapido nell'industria petrolchimica, ad esempio per monitorare e controllare i processi produttivi.