Portal informacyjny
Nauki ścisłe
Odcisk palca cząsteczki
Fizycy opracowali nową metodę laserowych pomiarów częstotliwości molekularnych linii widmowych. Wyniki badań, jakie można dzięki niej osiągnąć, są dokładne na niespotykaną dotąd skalę.
Nowa metoda pomiarowa, wykorzystująca efekt dyspersyjnego przesunięcia częstotliwości modów rezonansowych wnęki optycznej (cavity mode-dispersion spectroscopy, CMDS) w warunkach nasycenia, jest zasługą naukowców z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, przede wszystkim dr Katarzyny Bielskiej oraz dr hab. Agaty Cygan, prof. UMK, mgr inż. Magdaleny Konefał, dr. inż. Grzegorza Kowzana, mgr. inż. Mikołaja Zaborowskiego, mgr. inż. Dominika Charczuna, dr. Szymona Wójtewicza, dr. hab. Piotra Wcisły, prof. UMK, dr. hab. Piotra Masłowskiego, prof. UMK, prof. dr. hab. Romana Ciuryły oraz prof. dr. hab. Daniela Lisaka. O wynikach ich ponad dwuletniej pracy można przeczytać w artykule pt. "Frequency-based dispersion Lamb-dip spectroscopy in a high finesse optical cavity", który otrzymał wyróżnienie "Editor's pick" w czasopiśmie "Optics Express".
- Przedstawiliśmy w nim nową metodę pomiarową, pokazując, że prowadzi ona do bardziej precyzyjnych i wiarygodnych wyników niż metody, które do tej pory były stosowane w takim samym kontekście pomiarowym - mówi dr Katarzyna Bielska z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej UMK.
Niepowtarzalne widma
Dr Katarzyna Bielska zajmuje się spektroskopią molekularną, konkretnie interesuje ją badanie widm molekuł.
Widmo jest swego rodzaju "odciskiem palca" cząsteczki. Każda ma inne – oczywiście widmo zmienia się w zależności od warunków, np. ciśnienia, temperatury. Kształt widma zmienia się też pod wpływem innych cząsteczek znajdujących się w jej otoczeniu, czyli tzw. "zaburzaczy" – tłumaczy dr Bielska.
Widmo stosunkowo małej cząsteczki w dużej rozdzielczości składa się z tysięcy tzw. linii widmowych. Dr Bielska zajmuje się wyznaczaniem parametrów takich linii, czyli opisem ich kształtu, natężeń i położeń. Warto zaznaczyć, że metoda pomiarowa, nad którą pracowała z zespołem, ma zastosowanie do gazów, będących głównym przedmiotem badań toruńskiej fizyczki.
- Nasza metoda pozwala na precyzyjne określanie położeń linii widmowych – są to jedne z najdokładniejszych wyników, jakie do tej pory udało się osiągnąć – mówi dr Bielska.
Ulubiony tlenek węgla
Naukowcy w swoich badaniach skupili się na tlenku węgla. Nie bez powodu.
- Należy do moich ulubionych cząsteczek. Jest bardzo ciekawy: z jednej strony jest cząsteczką stosunkowo prostą, ale już z punktu widzenia obliczeń kwantowo-mechanicznych - skomplikowaną – tłumaczy dr Bielska. – Tlenek węgla jest więc idealny do prowadzenia badań podstawowych, ze względu na swoje cechy dobrze też nadaje się do testowania różnych teorii.
Nie mniej istotne jest to, że tlenek węgla w śladowych ilościach występuje w atmosferze ziemskiej, w związku z czym badanie jego cząsteczki ma również zastosowania praktyczne: może być np. dobrym wskaźnikiem jakości powietrza i służyć wyjaśnianiu kwestii klimatycznych oraz meteorologicznych. Bierze udział w szeregu reakcji chemicznych wpływających na stężenie gazów cieplarnianych. Dzięki danym pomiarowym można m.in. dokładniej badać procesy transportu molekuł w atmosferze ziemskiej.
- Tlenek węgla jest taki inspirujący, ponieważ zajmowanie się nim pozwala łączyć badania podstawowe z badaniami, które mają bardzo konkretne zastosowania – dodaje dr Bielska.
Pomiary tlenku węgla, które wykonywali fizycy z UMK, koncentrowały się przede wszystkim na części związanej z badaniami podstawowymi.
Zadanie: nasycić cząsteczki
Dr Bielska z zespołem zajmowali się spektroskopią w warunkach nasycenia optycznego.
To innego rodzaju spektroskopia niż ta najprostsza, powszechnie znana – mówi dr Bielska. – W spektroskopii liniowej jest tak: mamy próbkę i świecimy na nią jakimś światłem. Ilość światła, która zostanie pochłonięta przez cząsteczki, jest wprost proporcjonalna do liczby cząsteczek, które znalazły się na drodze światła. W praktyce oznacza to, że bardzo mała część cząsteczek zaabsorbowała światło. W spektroskopii nasyceniowej założenie to przestaje być prawdziwe.
Co to znaczy?
- Załóżmy taką sytuację: zwiększam ilość światła i na podstawie pomiarów, ile z tego światła zostało pochłonięte przez cząsteczki, próbuję wyznaczyć tzw. współczynnik absorpcji. W spektroskopii liniowej powinien on być stały. W tej drugiej natomiast doprowadzamy do sytuacji, kiedy cząsteczki "nasyciły się" na tyle, że przestają pochłaniać światło lub robią to wolniej. Zwiększając natężenie światła mamy więc do czynienia z mniejszym współczynnikiem absorpcji - wyjaśnia dr Bielska.
Fizycy eksperymentują z tzw. słabymi liniami widmowymi, co oznacza, że potrzebują bardzo dużo światła, by wygenerować warunki nasycenia. W związku z tym eksperyment prowadzą we wnęce optycznej. W urządzeniu tym zamontowane są dwa zwierciadła, a do jego środka wprowadza się wiązkę laserową i cząsteczki.
- Jeśli długość fali wiązki laserowej będzie pasowała do odległości między zwierciadłami, to otrzymamy rezonans. Światło będzie krążyło, odbijając się od zwierciadła do zwierciadła, po pewnym więc czasie będziemy mieć dużo mocy optycznej – mówi dr Bielska. - Zwierciadła mają bardzo wysoki współczynnik odbicia, więc tego światła tracimy naprawdę mało. W efekcie umieszczone we wnęce cząsteczki będą "widziały" znacznie więcej światła, niż gdybyśmy wnęki rezonansowej nie mieli. I w taki właśnie sposób doprowadzamy do ich nasycenia.
Nie absorpcja, a dyspersja
W takich warunkach, przy wykorzystaniu wnęki optycznej, można prowadzić pomiary na wiele sposobów. Najczęstszym podejściem są nadal badania absorpcji – naukowcy mierzą jej współczynnik dla każdej kolejnej długości fali. Zespół dr Bielskiej postanowił jednak przyjrzeć się nie absorpcji, a dyspersji, czyli zmianie współczynnika załamania światła. Jednym ze skutków dyspersji jest to, że wiązki światła o różnych barwach (długościach fal), padające nieprostopadle na granicę ośrodków, załamują się pod różnymi kątami. Efekt ten można np. zaobserwować, gdy światło białe pada na pryzmat i ulega rozszczepieniu na barwy tęczy. W tych badaniach wykorzystywana jest tzw. dyspersja rezonansowa, ściśle powiązana z liniami absorpcyjnymi. We wnęce optycznej przekłada się to na przesunięcia jej częstotliwości rezonansowych, które mogą być bardzo precyzyjnie zmierzone.
Metodę w warunkach, w których nie ma nasycenia, już badaliśmy. Tym razem jednak zastosowaliśmy ją do warunków nasycenia optycznego – tłumaczy dr Bielska. - Okazało się, że podobnie jak w przypadku braku nasycenia, prowadzi do wyników znacznie dokładniejszych niż metody absorpcyjne.
Metoda ta jest niewrażliwa na niestabilność mocy optycznej w wiązce laserowej, co eliminuje istotne błędy systematyczne i rozszerza zakres wysokiej precyzji pomiarów. Otrzymane położenia molekularnych linii widmowych cząsteczki tlenku węgla należą do najdokładniejszych w zakresie bliskiej podczerwieni. Zaprezentowana przez zespół dr Bielskiej metoda może być zastosowana m.in. do pomiarów energii przejść molekularnych wymagających najwyższych dokładności przy zastosowaniu laserów o niższej mocy niż w tradycyjnych pomiarach absorpcyjnych.
