Nueva técnica de imágenes fantasma mejora las mediciones de moléculas de gas

• El nuevo método de imágenes fantasma mide qué gas está presente en la atmósfera y en qué cantidad, con mucha mejor precisión.
• No requiere detectores extremadamente sensibles ni fuentes de luz potentes para funcionar.

La medición de los gases de efecto invernadero en la atmósfera como el dióxido de carbono, el metano, el ozono y el óxido nitroso es crucial para estudiar cómo las cantidades cambiantes de estos gases afectan el cambio climático. Se miden ya sea mediante el uso continuo de equipos estacionarios y satélites que monitorean las concentraciones actuales, o recolectando muestras de aire en el matraz y luego analizándolas en un laboratorio.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Finlandia Oriental, la Universidad Tecnológica de Tampere y la Universidad de Borgoña en Francia, han ideado un nuevo enfoque para realizar mediciones espectroscópicas de varias moléculas de gas. Lo llaman técnica de imágenes fantasma.

En comparación con las técnicas de imagen existentes, este nuevo enfoque puede descubrir la composición química de una molécula de gas con mucha mayor precisión. En algunos casos, puede permitir una identificación más sensible de los gases de efecto invernadero.

¿Cómo funciona?

La imagen fantasma opera en una amplia gama de longitudes de onda, mejorando el monitoreo de los gases presentes en la atmósfera, incluidos el metano y el dióxido de carbono. Funciona con una fuente de luz supercontinua (emite pulsos con múltiples longitudes de onda) para obtener imágenes de la luz basada en longitudes de onda transferida a través de muestras de aire y mide la huella digital espectral de una molécula de gas con una resolución subnanométrica.

Esta nueva técnica genera imágenes asociando la intensidad de 2 haces diferentes que no contienen datos sobre la forma del objeto pero permiten interfaces indirectas sobre sus características. En condiciones extremas, puede eliminar las distorsiones (no todas) observadas en los sistemas de imágenes convencionales y puede restaurar señales codificadas en picosegundos (10 ⁻¹² segundos) escalas de tiempo.

Dado que las moléculas de gas están en su mayoría dispersas, solo alteran la luz de transmisión en una pequeña cantidad. Por lo tanto, se requieren instrumentos muy sensibles y fuentes de luz potentes para detectarlos.

Referencia:La sociedad óptica | doi:10.1364 / OL.43.005025

A diferencia de los métodos de imágenes convencionales que identifican señales de una sola longitud de onda, la técnica de imágenes fantasma detecta una señal integrada que consta de varias longitudes de onda. Por lo tanto, funciona incluso donde no se dispone de detectores extremadamente sensibles y fuentes de luz potentes.

Más específicamente, genera una imagen espectral (que contiene el espectro de reflexión o transmisión de un objeto) al correlacionar 2 haces:el primer haz codifica un patrón aleatorio que se comporta como referencia de sondeo mientras que el otro haz ilumina la muestra. Para generar la referencia esencial para obtener una "imagen fantasma" espectral, los autores utilizaron fluctuaciones aleatorias que se producen entre espectros positivos consecutivos.

Crédito de la imagen:NASA

Luego, el haz transferido a través de una muestra se analiza mediante un detector sin resolución espectral. Después de correlacionarlo con las fluctuaciones espectrales de referencia, obtuvieron una vista clara de la imagen espectral.

Prueba

Para probar esta nueva técnica, la utilizaron para generar una imagen espectral del gas metano. Recreó con precisión la secuencia de líneas de absorción discretas que representan la identidad del metano. También compararon los resultados con las mediciones tradicionales de espectroscopia directa:los resultados de ambas técnicas coincidieron bien.

Leer:El microscopio electrónico de transmisión ahora puede ver nanopartículas en 4D

Actualmente, los autores están experimentando con dispositivos de fuente de luz preprogramables para controlar las fluctuaciones espectrales. Esto eliminaría la necesidad de medir patrones espectrales de referencia. Además, están tratando de integrar esta tecnología con la configuración de tomografía de coherencia óptica, lo que les permitiría extraer datos sensibles de varias muestras biológicas, incluido el tejido, sin exponer las muestras a rayos dañinos.