Un nouveau peigne de fréquences permet d’identifier des molécules en 20 nanosecondes

Des systèmes laser connus sous le nom de peignes de fréquence sont capables d’identifier des molécules spécifiques avec une précision et une sensibilité sans précédent. Leur capacité à capturer des processus à grande vitesse était limitée jusqu’à présent. Une équipe de chercheurs a développé un système de peigne de fréquence capable de détecter la présence de molécules spécifiques dans un échantillon tous les 20 nanosecondes.

Une technologie révolutionnaire

Les peignes de fréquence sont utilisés pour surveiller les concentrations de gaz à effet de serre et pour détecter la COVID dans l’haleine. Ils peuvent identifier des molécules aussi simples que le dioxyde de carbone et aussi complexes que les anticorps monoclonaux. Ils ont été limités toutefois dans leur capacité à capturer un processus à grande vitesse, comme la propulsion hypersonique ou le repliement des protéines en leurs formes tridimensionnelles finales.

Les chercheurs de l’Institut National des Normes et de la Technologie (NIST), de Toptica Photonics AG et de l’Université du Colorado à Boulder ont développé un système de peigne de fréquence qui peut détecter la présence de molécules spécifiques dans un échantillon tous les 20 nanosecondes, soit des milliardièmes de seconde. Cette nouvelle capacité pourrait permettre aux chercheurs d’utiliser les peignes de fréquence pour mieux comprendre les étapes intermédiaires en une fraction de seconde dans des processus rapides, allant du fonctionnement des moteurs à réaction hypersoniques aux réactions chimiques entre les enzymes qui régulent la croissance cellulaire.

Une application polyvalente

Le nouveau système, appelé «peignes électro-optiques», utilise une puissance optique plus élevée et moins de « dents » ou de fréquences spécifiques, fournissant un signal clair et fort pour détecter des processus en mouvement rapide comme les moteurs à réaction hypersoniques ou les réactions enzymatiques. L’équipe a réussi à mesurer des impulsions supersoniques de CO2, capturant des détails comme les ratios de mélange de CO2 et les oscillations de pression d’air, qui sont difficiles à évaluer même à travers des simulations complexes.

Ce système de peigne de fréquence plus rapide et plus flexible a des applications dans de nombreux domaines, dont la science de l’environnement et la conception de moteurs, en analysant des molécules spécifiques, la pression, la température et la vitesse en temps réel. La technique devrait être facilement adoptée dans les laboratoires du monde entier, car elle abaisse la barrière à l’entrée pour ceux qui souhaitent étudier les processus rapides à l’aide de peignes de fréquence.

En synthèse

Les peignes de fréquence sont une technologie révolutionnaire qui permet de détecter rapidement des molécules spécifiques avec une précision sans précédent. Les chercheurs ont développé un nouveau système de peigne de fréquence qui peut détecter la présence de molécules spécifiques dans un échantillon tous les 20 nanosecondes.

Cette avancée pourrait permettre une meilleure compréhension des processus rapides, allant du fonctionnement des moteurs à réaction hypersoniques aux réactions chimiques entre les enzymes. Le système est polyvalent et pourrait être utilisé dans de nombreux domaines, y compris la science de l’environnement et la conception de moteurs.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce qu’un peigne de fréquence ?

Un peigne de fréquence est un système laser qui peut identifier des molécules spécifiques avec une précision et une sensibilité sans précédent. Il peut détecter des molécules aussi simples que le dioxyde de carbone et aussi complexes que les anticorps monoclonaux.

2. Quelle est la nouvelle avancée dans les peignes de fréquence ?

Des chercheurs ont développé un système de peigne de fréquence qui peut détecter la présence de molécules spécifiques dans un échantillon tous les 20 nanosecondes, soit des milliardièmes de seconde. Cela permet de mieux comprendre les étapes intermédiaires en une fraction de seconde dans des processus rapides.

3. Qu’est-ce qu’un peigne électro-optique ?

Le peigne électro-optique est une nouvelle configuration de peigne de fréquence qui utilise une puissance optique plus élevée et moins de «dents» ou de fréquences spécifiques, fournissant un signal clair et fort pour détecter des processus en mouvement rapide.

4. Quelles sont les applications de cette nouvelle technologie ?

Ce système de peigne de fréquence plus rapide et plus flexible a des applications dans de nombreux domaines, y compris la science de l’environnement et la conception de moteurs, en analysant des molécules spécifiques, la pression, la température et la vitesse en temps réel.

5. Comment cette technologie sera-t-elle adoptée dans les laboratoires ?

La technique devrait être facilement adoptée dans les laboratoires du monde entier, car elle abaisse la barrière à l’entrée pour ceux qui souhaitent étudier les processus rapides à l’aide de peignes de fréquence.

Les informations de cet article sont basées sur les recherches menées par l’Institut National des Normes et de la Technologie (NIST), Toptica Photonics AG et l’Université du Colorado à Boulder.

Légende illustration principale : Un nouveau dispositif de peigne de fréquences permet de saisir les détails instantanés d’un gaz carbonique s’échappant d’une buse à des vitesses supersoniques dans une chambre remplie d’air, suivis d’oscillations rapides du gaz dues à l’aérodynamique complexe à l’intérieur de la chambre. Le diagramme de données montre l’absorbance de la lumière (verticale) en fonction du temps (horizontale de gauche à droite) sur une gamme de fréquences (horizontale d’avant en arrière). Crédit photo : NIST

Article : David A. Long, Matthew J. Cich, Carl Mathurin, Adam T. Heiniger, Garrett C. Mathews, Augustine Frymire et Gregory B. Rieker. Nanosecond time-resolved dual-comb absorption spectroscopy. Nature Photonics. Publié en ligne le 30 octobre 2023. DOI: 10.1038/s41566-023-01316-8