Новое устройство является примером так называемой частотной гребенки, в которой используются сверхбыстрые импульсные лазеры или генераторы для создания тысяч уникальных частот излучения, равномерно распределенных по спектру, как зубцы гребенки. Затем ученые могут использовать их как линейки, выстраивая зубы, как отметки, чтобы очень точно измерять световые частоты. Первые частотные гребенки, разработанные в 1990-х годах, принесли своим создателям (Джону Холлу из JILA и Теордору Ханшу из Института квантовой оптики Макса Планка и Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене) Нобелевскую премию по физике 2005 года.
Эти гребенки, появившиеся в видимой части спектра, произвели революцию в способах измерения света учеными, что привело, например, к разработке самых точных на сегодняшний день измерителей времени, известных как оптические атомные часы.
Команда Caltech объединила коммерчески доступные лазеры и оптику со специальной электроникой, чтобы расширить эту технологию до терагерцового диапазона, создав гребенку терагерцовых частот с беспрецедентным сочетанием спектрального покрытия и точности.
Его тысячи «зубцов» равномерно распределены по большей части терагерцовой области спектра (0.15-2.4 ТГц), что дает ученым возможность одновременно измерять поглощение в образце на всех этих частотах.
Работа описана в статье, которая появится в онлайн-версии журнала Physical Review Letters и будет опубликована в номере от 24 апреля. Ведущий автор — аспирант и сотрудник Национального научного фонда Ян Финнеран, который работает в лаборатории Джеффри А. Блейк, профессор космохимии и планетных наук и профессор химии в Калифорнийском технологическом институте.
Блейк объясняет полезность нового устройства, сравнивая его с обычным радиотюнером. «Благодаря радиоволнам большинство тюнеров позволяют вам сосредоточиться и слушать только одну станцию или частоту за раз», — говорит он. "Здесь, в нашем терагерцовом подходе, мы можем разделить и обработать более 10 000 частот одновременно. В ближайшем будущем мы надеемся увеличить это число до более чем 100 000."
Это важно, потому что терагерцовая область спектра битком набита информацией. Все во Вселенной, что теплее, чем примерно 10 градусов Кельвина (-263 градусов Цельсия), испускает терагерцовое излучение. Даже при очень низких температурах молекулы могут вращаться в космосе, оставляя уникальные отпечатки пальцев в терагерцовом диапазоне.
Астрономы, использующие телескопы, такие как Субмиллиметровая обсерватория Калифорнийского технологического института, Большая миллиметровая матрица Атакамы и Космическая обсерватория Гершеля, ищут на терагерцовых частотах звездные питомники и диски, образующие планеты, в поисках таких химических отпечатков пальцев, чтобы попытаться определить типы присутствующих молекул и таким образом доступным планетным системам. Но всего лишь в одном куске неба нет ничего необычного в том, чтобы найти сигнатуры 25 или более различных молекул.
Чтобы иметь возможность окончательно идентифицировать определенные молекулы в таком клубке терагерцовых сигналов, ученым сначала необходимо определить точные измерения химических отпечатков пальцев, связанных с различными молекулами. Для этого требуется точный источник терагерцовых волн в дополнение к чувствительному детектору, а гребенка терагерцового диапазона идеально подходит для проведения таких измерений в лаборатории.
«Когда мы смотрим в космос с терагерцовым светом, мы в основном видим лес линий, связанных с опрокидывающимися движениями различных молекул», — говорит Финнеран. "Распутать и понять эти линии сложно, так как вы должны пройти через этот лес по одной точке и по одной молекуле за раз в лаборатории. Это может занять недели, и вам придется использовать много разных инструментов.
Мы разработали эту терагерцовую расческу для анализа всего леса сразу."
После того, как устройство генерирует десятки тысяч равномерно распределенных частот, волны проходят через образец — в статье исследователи приводят пример водяного пара.
Затем прибор измеряет, какой свет проходит через образец и что поглощается молекулами на каждом зубце гребня. Если обнаруженный зуб становится короче, образец поглощает именно эту волну терагерцового диапазона; если он проходит на базовой высоте, образец не поглощает на этой частоте.
«Поскольку мы точно знаем, где находится каждая из отметок на нашей линейке примерно до девяти цифр, мы можем использовать это как диагностический инструмент, чтобы получить эти частоты действительно, действительно точно», — говорит Финнеран. "Когда вы смотрите в космос, вы хотите убедиться, что у вас есть очень точные измерения, полученные в лаборатории."
В дополнение к астрохимическому применению идентификации молекул в космосе, терагерцовая гребенка также будет полезна для изучения фундаментальных взаимодействий между молекулами. «Терагерц уникален тем, что это действительно единственный прямой способ посмотреть не только на колебания внутри отдельных больших молекул, которые важны для жизни, но и на колебания между различными молекулами, которые определяют поведение жидкостей, таких как вода», — говорит Блейк.
Работа выполнена при финансовой поддержке Национального научного фонда.