Gonfler la musique des molécules
Amélioration significative du "sens de l'odorat" de la spectroscopie laser moléculaire : Augmente les chances de détecter les maladies de manière fiable
Le nez sensible des animaux peut détecter des particules à l'état de traces, comme les composés organiques volatils, dans l'air ambiant. Les humains, quant à eux, développent des technologies innovantes à cette fin, comme la spectroscopie optique. Celle-ci utilise la lumière laser pour détecter la composition moléculaire des gaz. Elle ouvre la possibilité de surpasser ces succès "olfactifs", y compris pour des substances que le nez des animaux ne peut absolument pas percevoir. Aujourd'hui, le "pouvoir olfactif" de la spectroscopie n'exploite pas encore tout son potentiel. Le principe de base : Si des molécules sont irradiées par une lumière laser, elles se mettent à vibrer de manière caractéristique et émettent également de la lumière. Toutefois, à faible concentration, cette émission est très faible. Un groupe de scientifiques dirigé par le Dr Ioachim Pupeza de l'équipe attoworld de la Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) et de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ), en collaboration avec des scientifiques de l'Université de Colombie-Britannique et de l'Institut Leibniz pour les technologies photoniques d'Iéna, démontre aujourd'hui un moyen d'amplifier le rayonnement des molécules qui suit l'excitation, améliorant ainsi considérablement le "sens de l'odorat" de la spectroscopie laser moléculaire.
Renforcement des impulsions laser (blanc) et des réponses moléculaires (rouge) dans un résonateur optique passif.
Christian Hackenberger, MPQ
Lorsqu'un musicien pince une corde de guitare, celle-ci se met à vibrer et émet un son dont la hauteur, le timbre et la modulation sont caractéristiques de l'instrument. La même chose se produit lorsqu'une molécule de gaz est "frappée" par une impulsion laser ultracourte : elle absorbe une partie de l'énergie de l'impulsion laser. Ses atomes se mettent à vibrer. Au lieu d'une onde sonore, la molécule émet une forme d'onde optique caractéristique qui peut être détectée par spectroscopie. Cette forme d'onde contient des informations sur la composition moléculaire du gaz. Malheureusement, cette "musique des molécules" est très douce. En effet, seule une infime partie de l'énergie contenue dans l'impulsion est convertie en ondes lumineuses à décroissance lente qui contiennent ces précieuses informations.
Impulsions laser qui se chevauchent dans le temps
Les chercheurs de l'équipe attoworld du MPQ et de la LMU, en collaboration avec des scientifiques de l'Université de Colombie-Britannique et de l'Institut Leibniz pour les technologies photoniques d'Iéna, ont maintenant trouvé un moyen d'amplifier les réponses moléculaires à des impulsions laser ultracourtes répétées dans la région spectrale dite de l'empreinte moléculaire. Dans la région spectrale de l'empreinte digitale, les molécules organiques ont leurs résonances caractéristiques. Pour ce faire, les physiciens ont envoyé les impulsions dans un résonateur optique rempli de gaz. Dans le résonateur, le faisceau d'impulsions laser est renvoyé sur lui-même par plusieurs miroirs, de sorte que les impulsions commencent à se chevaucher temporellement avec leurs prédécesseurs et leurs successeurs. Cela amplifie les impulsions et les réponses moléculaires. Les physiciens du laser d'attoworld ont, pour la première fois, extrait de la cavité ces formes d'ondes optiques de réponses moléculaires amplifiées et les ont échantillonnées par spectroscopie à résolution de champ.
Avant que cela ne soit possible, un certain nombre de défis ont dû être relevés. "Jusqu'à présent, les résonateurs optiques passifs ne pouvaient couvrir que des largeurs de bande inférieures à 20 % de la fréquence optique centrale et fonctionnaient principalement à des longueurs d'onde proches de l'infrarouge", explique Philipp Sulzer, l'un des principaux auteurs de l'étude. "Cependant, pour couvrir une partie significative de la gamme des empreintes digitales dans l'infrarouge moyen, nous avons dû repenser les éléments optiques et les mécanismes de verrouillage qui pouvaient être utilisés pour construire la cavité. En outre, les impulsions ultracourtes destinées à la spectroscopie à résolution de champ ne doivent pas changer de forme d'onde au cours d'une orbite dans le résonateur", ajoute Maximilian Högner, l'autre auteur principal de l'étude. Finalement, les physiciens des lasers ont trouvé une configuration composée de quatre miroirs recouverts d'or, d'air à humidité contrôlée et d'une plaque de diamant en forme de coin pour coupler la lumière à l'intérieur et à l'extérieur du résonateur. Leur approche permet de multiplier par plus de 500 l'énergie contenue dans la réponse moléculaire qui suit l'excitation impulsive.
Augmenter les chances de détecter les maladies de manière fiable
"Le nouveau dispositif de mesure associe nos travaux antérieurs sur les cavités à enrichissement à notre expertise en spectroscopie à résolution de champ. Les résultats ouvrent des perspectives pour la spectroscopie des gaz à large bande avec des sensibilités de un à mille milliards de particules. En même temps, en raison des lignes d'absorption relativement étroites dans la phase gazeuse, la technique offre un potentiel élevé pour les mélanges gazeux complexes tels que l'haleine humaine, dans lesquels certains composants sont présents en très fortes concentrations, mais d'autres en très faibles concentrations", explique Ioachim Pupeza. "Notre nouvelle approche augmente les chances de détecter de manière fiable les maladies via l'haleine humaine à l'avenir et donc de fournir, par exemple, de nouvelles méthodes non invasives pour le suivi des thérapies."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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