Le nez sensible des animaux peut détecter des traces de particules, telles que des composés organiques volatils, dans l’air ambiant. Les humains, quant à eux, développent des technologies innovantes à cette fin, comme la spectroscopie optique. Celui-ci utilise la lumière laser pour détecter la composition moléculaire des gaz. Cela ouvre la possibilité de surpasser même ces succès « olfactifs », même pour des substances que le nez des animaux ne peut pas du tout percevoir.
Aujourd’hui, la « puissance olfactive » de la spectroscopie n’exploite pas encore son potentiel. Le principe sous-jacent est que si les molécules sont irradiées par la lumière laser, elles commencent à vibrer de manière caractéristique et émettent également de la lumière. A faible concentration, cependant, cette émission est très faible. Un groupe de scientifiques dirigé par le PD Dr Ioachim Pupeza dans 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 la Colombie-Britannique et de la Leibniz L’Institut des technologies photoniques d’Iéna démontre actuellement un moyen d’amplifier le rayonnement des molécules qui suit l’excitation, améliorant considérablement le « sens de l’odorat » de la spectroscopie laser moléculaire. Leur étude a été publiée dans Photonique de la nature.
Lorsqu’un musicien pince une corde de guitare, celle-ci se met à vibrer et émet un son avec une hauteur, un timbre et une modulation 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 fraction 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 temporairement
Des chercheurs de l’équipe attoworld du MPQ et du LMU, en collaboration avec des scientifiques de l’Université de la Colombie-Britannique et de l’Institut Leibniz pour les technologies photoniques à Jena, ont maintenant trouvé un moyen d’amplifier les réponses moléculaires aux impulsions laser ultracourtes répétées dans le soi-disant moléculaire région spectrale des empreintes digitales. Dans la région spectrale des empreintes digitales, 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 guidé vers lui-même via plusieurs miroirs, de sorte que les impulsions commencent à se chevaucher temporellement avec leurs prédécesseurs et successeurs. Cela amplifie les impulsions et les réponses moléculaires. Les physiciens laser attoworld ont maintenant, pour la première fois, couplé ces formes d’onde optiques de réponses moléculaires améliorées de la cavité et les ont échantillonnées avec une spectroscopie résolue en champ.
Avant que cela ne soit possible, un certain nombre de défis ont dû être surmontés. « Jusqu’à présent, les résonateurs optiques passifs ne pouvaient couvrir que des bandes passantes 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 importante de la gamme d’empreintes digitales dans l’infrarouge moyen, nous avons dû repenser les éléments optiques et les mécanismes de verrouillage qui pourraient être utilisés pour construire la cavité. De plus, les impulsions ultracourtes pour la spectroscopie à résolution de champ ne doivent pas changer leur forme d’onde pendant une orbite à travers le résonateur », ajoute Maximilian Högner, l’autre auteur principal de l’étude. Enfin, les physiciens du laser 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 entrant et sortant du résonateur. Leur approche permet une amélioration de l’énergie contenue dans la réponse moléculaire suivant l’excitation impulsive d’un facteur supérieur à 500.
Augmente les chances de détecter de manière fiable les maladies
« La nouvelle configuration de mesure combine nos travaux antérieurs sur les cavités d’amélioration avec notre expertise en spectroscopie résolue sur le terrain. Les résultats ouvrent des perspectives pour la spectroscopie de gaz à large bande avec des sensibilités d’un à un billion de particules. En même temps, en raison de l’absorption relativement étroite en phase gazeuse, la technique offre un potentiel élevé pour les mélanges gazeux complexes tels que l’haleine humaine, dans lesquels certains composants sont présents à des concentrations très élevées, mais d’autres à de très faibles concentrations », explique Ioachim Pupeza. « Notre nouvelle approche augmente les chances de détecter de manière fiable les maladies via la respiration humaine à l’avenir et ainsi de fournir, par exemple, de nouvelles méthodes non invasives pour surveiller les thérapies. »
Philipp Sulzer et al, Spectroscopie à résolution de champ améliorée par cavité, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-01057-0