A região de terahertz do espectro é repleto de informações. Tudo no universo que é mais quente do que cerca de 10 graus Kelvin (-263 graus Celsius) emite radiação terahertz. Mesmo com estas temperaturas muito baixas moléculas podem girar no espaço, produzindo impressões digitais únicas no terahertz. Os astrônomos usando telescópios como Submillimeter Observatório do Caltech, o Atacama Large Millimeter Matriz , e do Observatório Espacial Herschel está procurando berçários estelares e discos de formação de planetas em freqüências terahertz, olhando para essas impressões digitais químicas para tentar determinar os tipos de moléculas que estão presentes e portanto, disponível para os sistemas planetários. Mas em apenas um único pedaço do céu, não seria incomum encontrar assinaturas de 25 ou mais moléculas diferentes.
Para ser capaz de identificar definitivamente moléculas específicas dentro de um emaranhado de tais sinais terahertz, cientistas primeiro precisa para determinar as medições exactas das impressões digitais químicos associados a várias moléculas. Isto requer uma fonte de ondas terahertz preciso, além de um detector sensível, e o pente de frequência terahertz é ideal para executar tais medições no laboratório.
"Quando olhamos para o espaço com luz terahertz, nós basicamente ver esta floresta de linhas relacionadas com os movimentos de várias moléculas que caem", diz Finneran. "Desvendando e entender estas linhas é difícil, como você deve percorrer em que a floresta um ponto e uma molécula de cada vez no laboratório. Pode levar semanas, e você teria que usar muitos instrumentos diferentes. O que temos desenvolvido, esta terahertz pente, é uma maneira de analisar toda a floresta de uma só vez ".
A luz pode vir em várias frequências, apenas uma pequena fracção dos quais pode ser visto por seres humanos. Entre as ondas de rádio de baixa frequência invisíveis usados por telefones celulares e as altas frequências associadas com luz infravermelha encontra-se uma bastante ampla faixa do espectro eletromagnético ocupada por que são chamados de terahertz, ou às vezes submillimeter, ondas. A exploração destas ondas pode levar a muitas novas aplicações em áreas que vão desde imagens médicas para a astronomia, mas ondas terahertz provaram complicado para produzir e estudar em laboratório. Agora, os químicos Caltech criaram um dispositivo que gera e detecta ondas terahertz sobre uma ampla gama espectral com extrema precisão, permitindo que ela seja usada como uma ferramenta única para medir as ondas terahertz.
O novo dispositivo é um exemplo do que é conhecido como um pente de frequência, que utiliza lasers pulsados ultra-rápidos, ou osciladores, para produzir milhares de frequências únicas de radiação distribuídas uniformemente através de um espectro como os dentes de um pente. Os cientistas podem então usá-los como governantes, alinhando os dentes como marcas de escala para medir com muita precisão freqüências de luz. Os primeiros pentes de frequência, desenvolvido na década de 1990, ganhou seus criadores (John Hall of JILA e Theordor Hansch do Instituto Max Planck de Óptica Quântica e Ludwig Maximilians University Munich) em 2005 o Prêmio Nobel de Física. Estes pentes, que se originou na parte visível do espectro, revolucionaram a forma como os cientistas medir a luz, o que leva, por exemplo, para o desenvolvimento de cronometristas mais precisos de hoje, conhecidos como relógios atômicos ópticos.
A equipe da Caltech combinado lasers disponíveis comercialmente e óptica com eletrônica custom-built para estender essa tecnologia para o terahertz, a criação de um pente de frequência terahertz com uma combinação sem precedentes de cobertura espectral e precisão. Seus milhares de "dentes" são igualmente espaçados a maioria da região do terahertz do espectro (0,15-2,4THz ), dando aos cientistas uma maneira de medir simultaneamente a absorção de uma amostra em todas as frequências.
O trabalho é descrito em um artigo que aparece na versão online da revista Physical Review Letters e será publicado na edição de 24 de abril. O principal autor é aluno de pós-graduação e da National Science Foundation companheiro Ian Finneran, que trabalha no laboratório de Geoffrey A. Blake, professor de Cosmochemistry e ciências planetárias e professor de química na Caltech.
Blake explica a utilidade do novo dispositivo, contrastando-a com um sintonizador de rádio comum. "Com as ondas de rádio, a maioria dos sintonizadores de deixá-lo zero em e ouvir apenas uma estação, ou freqüência, em um momento", diz ele. "Aqui, na nossa abordagem terahertz, podemos separar e processar mais de 10 mil freqüências de uma só vez. No futuro próximo, esperamos bater esse número até mais de 100.000."
Depois que o dispositivo gera suas dezenas de milhares de freqüências igualmente espaçadas, as ondas viajam através de uma amostra - no papel, os pesquisadores apresentam a exemplo de vapor de água. O instrumento, em seguida, as medidas que a luz passa através da amostra e que é absorvida pelas moléculas em cada dente ao longo do pente. Se um dente detectado fica mais curto, a amostra absorvido essa onda terahertz particular; se ele vem através de, no auge da linha de base, a amostra não absorveu a essa frequência.
"Desde que nós sabemos exatamente onde cada uma das marcas em nosso governador é cerca de nove dígitos, podemos usar isso como uma ferramenta de diagnóstico para obter estas freqüências muito, muito justamente," diz Finneran. "Quando você olha para o espaço, você quer ter certeza de que você tem tais medições muito exatas do laboratório."
Além da aplicação de astroquímicas identificação de moléculas no espaço, o pente terahertz também será útil para estudar as interacções entre moléculas fundamentais. "O terahertz é o único que é realmente a única maneira direta a não olhar apenas para vibrações dentro grandes moléculas individuais que são importantes para a vida, mas também em vibrações entre moléculas diferentes que governam o comportamento de líquidos, como água", diz Blake .
Co-autores adicionais sobre o papel, "High-Precision Terahertz Frequency Comb-Abrangendo Década", incluem estudantes de pós-graduação Caltech atuais Jacob Boas, P. Brandon Carroll, e Marco Allodi, bem como recém-formado Daniel Holland (PhD '14). O trabalho foi apoiado pelo financiamento do National Science Foundation.
The Daily Galaxy via Caltech
Créditos de imagem: Lance Hayashida / Caltech e NASA / ESA ea equipe da herança de Hubble
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