Revolucionaria imagen fantasma mejora la precisión de mediciones de gases atmosféricos

• Nuevo método de imagen 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.

Medir gases de efecto invernadero en la atmósfera como dióxido de carbono, metano, ozono y óxido nitroso es crucial para estudiar cómo las cantidades alteradas de estos gases afectan el cambio climático. Se miden ya sea monitoreando continuamente con equipos estacionarios y satélites que vigilan las concentraciones actuales, o recolectando muestras de aire en frascos y analizándolas en un laboratorio.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Finlandia Oriental, 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 imagen fantasma.

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

¿Cómo funciona?

La imagen fantasma opera en un amplio rango de longitudes de onda, mejorando el monitoreo de gases presentes en la atmósfera, incluyendo metano y dióxido de carbono. Funciona con una fuente de luz de supercontinuo (emite pulsos con múltiples longitudes de onda) para imaginar la luz transferida basada en longitud de onda a través de muestras de aire, y mide la huella espectral de una molécula de gas con 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 distorsiones (no todas) observadas en sistemas de imagen convencionales y puede restaurar señales mezcladas en escalas de tiempo de picosegundos (10⁻¹² segundos).

Dado que las moléculas de gas están mayormente dispersas, solo alteran la luz transmitida en una pequeña cantidad. Por tanto, requiere instrumentos muy sensibles y fuentes de luz potentes para detectarlas.

Referencia: The Optical Society | doi:10.1364/OL.43.005025

A diferencia de los métodos de imagen convencionales que identifican señales de una sola longitud de onda, la técnica de imagen fantasma detecta una señal integrada que consiste en varias longitudes de onda. Por tanto, funciona incluso donde detectores extremadamente sensibles y fuentes de luz potentes no están disponibles.

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

Crédito de imagen: NASA

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

Pruebas

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

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Actualmente, los autores están experimentando con dispositivos de fuente de luz pre-programables para dirigir las fluctuaciones espectrales. Esto eliminaría la necesidad de medir patrones espectrales de referencia. También están intentando integrar esta tecnología con la configuración de tomografía de coherencia óptica, lo que les permitiría extraer datos sensibles de varias muestras biológicas, incluyendo tejido, sin exponer las muestras a rayos dañinos.