Ανιχνευτές λέιζερ εκρηκτικά από μακριά
Επιστήμονες ανέπτυξαν έναν νέο τρόπο για τον εντοπισμό ενός χημικού δείγματος σε απόσταση μεγαλύτερη από τέσσερα γήπεδα ποδοσφαίρου, απλά ρίχνοντας ένα λέιζερ σε αυτό. Η πρόοδος θα μπορούσε μια μέρα να προσφέρει ένα ισχυρό εργαλείο για τον στρατό για την ανίχνευση εκρηκτικών από απόσταση, ακόμη και για τους αστρονόμους για να διερευνήσουν εξωγήινους κόσμους για ζωή.
"Είναι μια νέα προσέγγιση που δεν έχει ξαναδεί", λέει ο φυσικός Jérôme Kasparian από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης στην Ελβετία, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Η τεχνολογία αξιοποιεί ένα καθιερωμένο φυσικό φαινόμενο που ονομάζεται διασπορά Raman. Όταν το φως λάμπει σε μια ένωση, τα μόρια της ένωσης διασκορπίζουν ένα μικροσκοπικό κλάσμα των εισερχόμενων φωτονίων γύρω, αλλάζοντας το επίπεδο ενέργειας του φωτονίου στη διαδικασία. Η μετατόπιση της ενέργειας, η οποία αλλάζει τη συχνότητα του εξερχόμενου φωτός, ποικίλλει για κάθε ένωση. Με ένα φασματόμετρο, ένα όργανο που μετρά τη συχνότητα του φωτός, οι επιστήμονες μπορούν να παρατηρήσουν αυτή τη μετατόπιση και να αναγνωρίσουν την εν λόγω χημική ουσία.
Προηγουμένως, οι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν λέιζερ για την εξ αποστάσεως αναγνώριση ατόμων σε χημικά δείγματα, αλλά με την τεχνολογία Raman, θα μπορούσαν να αναγνωρίσουν απευθείας χημικές ενώσεις. Το πρόβλημα είναι ότι η σκέδαση Raman παράγει μόνο ένα πολύ ασθενές σήμα—μόνο περίπου ένα στα 10 τρισεκατομμύρια φωτόνια που εισέρχονται στην ένωση διασκορπίζεται. Έτσι, για να λειτουργήσει η φασματοσκοπία Raman σε έναν μακρινό στόχο, οι ερευνητές θα χρειάζονταν ένα εξαιρετικά ισχυρό λέιζερ για να λάβουν πίσω ένα ανιχνεύσιμο σήμα.
Ο φυσικός Marlan Scully του Texas A&M University, College Station και οι συνεργάτες του προσπάθησαν να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα εκμεταλλευόμενοι ένα σχετικά πρόσφατα ανακαλυφθέν φαινόμενο που ονομάζεται τυχαίο Raman lasing. Όταν κάποιος εκπέμπει μια πολύ έντονη δέσμη φωτός σε ένα εξαιρετικά διαταραγμένο υλικό, όπως μια χημική ουσία σε σκόνη, τα διασκορπισμένα φωτόνια μπορούν να διεγείρουν περισσότερα φωτόνια να εκπέμπονται από το υλικό με παρόμοιο τρόπο με τον τρόπο λειτουργίας ενός λέιζερ. Αυτό παράγει ένα φωτεινότερο διάσπαρτο σήμα το οποίο, θεωρητικά, θα πρέπει να είναι ευκολότερο να ανιχνευθεί από μακριά.
Η ομάδα του Τέξας έλαμψε έντονους παλμούς λέιζερ που περιλάμβαναν ένα ευρύ φάσμα φωτός σε δείγματα χημικών ενώσεων σε σκόνη. Για να προσομοιώσουν την ανίχνευση του διασκορπισμένου φωτός σε απόσταση, οι ερευνητές αναπήδησαν το σήμα εμπρός και πίσω 13 φορές μεταξύ των κατόπτρων, έτσι ώστε να κάλυψε μια απόσταση 400 μέτρων πριν εισέλθει στο φασματόμετρο.
Με αυτήν την προσέγγιση, οι ερευνητές θα μπορούσαν να δημιουργήσουν αρκετό τυχαίο Raman lasing στα δείγματα για να παράγουν ένα σήμα που θα μπορούσε να ανιχνευθεί σε απόσταση 400 μέτρων και θα μπορούσε να αναγνωρίσει αξιόπιστα το νιτρικό αμμώνιο και το νιτρικό νάτριο, όπως αναφέρουν διαδικτυακά σήμερα στο τα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών . Και οι δύο χημικές ουσίες εμφανίζονται ως λευκές σκόνες με γυμνό μάτι και εκπέμπουν σήματα Raman που είναι σχεδόν ίδια σε συχνότητα. Η πρώτη είναι μια αβλαβής ένωση, ενώ η δεύτερη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή εκρηκτικών.
Το αποτέλεσμα του πειράματος είναι "εντυπωσιακό", λέει ο Kasparian. "Αυτή είναι μια καθαρή απόδειξη ότι είναι δυνατή η μέτρηση σε μερικές εκατοντάδες μέτρα [μακριά]."
Αλλά ο Anupam Misra από το Πανεπιστήμιο της Χαβάης, Manoa, ο οποίος επίσης δεν συμμετείχε στην έρευνα, λέει ότι θα ήταν πιο πειστικό αν είχαν κάνει μια άμεση μέτρηση από 400 μέτρα αντί να χρησιμοποιούσαν καθρέφτες ρελέ για να προσομοίωση της απόστασης. Σε αυτό το πείραμα, επειδή το δείγμα τοποθετείται κοντά στους καθρέφτες και το φασματόμετρο, το σήμα Raman θα μπορούσε να έχει εισέλθει στο φασματόμετρο χωρίς να διανύσει ολόκληρα τα 400 μέτρα, λέει.
Τόσο ο Misra όσο και ο Kasparian επισημαίνουν ότι για να εφαρμόσουν την τεχνολογία στην πραγματική ζωή, οι επιστήμονες πρέπει ακόμα να λύσουν το άλλο μισό της ερώτησης:να κατασκευάσουν ένα λέιζερ αρκετά ισχυρό ώστε να εστιάσει μια έντονη δέσμη σε ένα δείγμα από εκατοντάδες μέτρα μακριά. Το λέιζερ στο τρέχον πείραμα ήταν μόλις 8,5 μέτρα από τα δείγματα. Η σημερινή τεχνολογία επιτρέπει σε μια δέσμη λέιζερ να εστιάζει σε απόσταση 100 μέτρων το πολύ, λέει ο Kasparian.
Εάν οι επιστήμονες κατασκευάσουν ένα τέτοιο λέιζερ, η τεχνολογία μπορεί να έχει ευρείες εφαρμογές στη γεωργία, την περιβαλλοντική επιστήμη και τη βιοϊατρική επιστήμη. Στη γεωργία, για παράδειγμα, οι αγρότες θα μπορούσαν ενδεχομένως να πετάξουν αεροπλάνα εξοπλισμένα με λέιζερ πάνω από τα χωράφια για να ανιχνεύσουν τα επίπεδα αμμωνίας στο έδαφος, και έτσι να καθορίσουν πόση ποσότητα λιπάσματος θα εφαρμόσουν. «Το σπουδαίο με αυτό το μέρος της επιστήμης… είναι ότι… μαθαίνουμε για τρόπους με τους οποίους το φως και η ύλη αλληλεπιδρούν με νέους και συναρπαστικούς τρόπους και έχει πολλές εφαρμογές», λέει η Scully. "Είναι το καλύτερο και των δύο κόσμων."
