Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Американские учёные разработали новый способ определения химических веществ – причём на расстоянии, превышающем длину четырёх футбольных полей, просто посветив на него лазером. Технология в один прекрасный день может послужить для создания мощного инструмента, который будет полезен военным при поиске взрывчатых веществ на расстоянии.
Свою пользу из инновации извлекут и астрономы: с помощью неё они смогут исследовать далёкие миры на наличие жизни. Технология использует известное физическое явление – комбинационное рассеяние света. Когда свет попадает на соединения, молекулы вещества рассеивают крошечную долю фотонов, изменяя уровень энергии частицы и, как следствие, частоту излучения. Сдвиг в энергии для каждого химического соединения свой. С помощью спектрометра учёные могут пронаблюдать этот сдвиг и идентифицировать химическое вещество.
Ранее физики использовали лазеры на расстоянии для определения атомов в химических образцах – однако до сих пор технология комбинационного рассеяния непосредственно не использовалась. Проблема заключалась в том, что комбинационное рассеяние производит лишь очень слабый сигнал – лишь один из каждых 10 триллионов фотонов при рассеянии. Так что чтобы заставить метод работать на расстоянии, исследователям необходим был чрезвычайно мощный лазер – благодаря которому обнаруживаемый сигнал придёт обратно.
Физик Малон Скалли (Marlan Scully) и его коллеги постарались обойти эту проблему путём использования сравнительно недавно открытого явления под названием случайная комбинационная генерация (random raman lasing). Когда очень интенсивный луч света падает на неупорядоченный материал (например, на химический порошок), рассеянные фотоны могут стимулировать больше частиц, испускаемых материалом, таким же образом, как и под воздействием мощного лазера. Получается яркий рассеянный сигнал, который, по идее, издалека будет проще обнаружить.
Учёные использовали интенсивные лазерные импульсы, охватывающие широкий спектр света, на образцах порошкообразных химических соединений. Для имитации обнаружения рассеянного света на расстоянии исследователи отключали и включали сигнал 13 раз между зеркалами, чтобы он покрыл расстояние в 400 метров прежде, чем войти в спектрометр.
При таком подходе исследователям удавалось создавать достаточно случайной комбинационной генерации для формирования сигнала, который может быть обнаружен на расстоянии в 400 метров. С помощью способа можно надёжно определить наличие нитрата аммония и нитрата натрия. С виду оба вещества похожи на обычный белый порошок, при этом они испускают сигналы комбинационного излучения, идентичные по частоте. Первое соединение безвредно, в то время как второе используется для изготовления взрывчатых веществ.
Правда, некоторые эксперты подмечают, что исследование будет более убедительно тогда, когда будет протестировано с реальными расстояниями, а не с помощью имитации релейными зеркалами. К тому же прежде, чем технология будет применена, необходимо решить второй аспект технологии – создать достаточно мощный лазер, который может сосредоточить интенсивный пучок на образце, расположенном за сотни метров. В текущем эксперименте лазер располагался всего в 8,5 метрах от образцов.
Если же учёным удастся сконструировать такой лазер, эта технология может получить самое широкое применение – не только в уже упомянутых областях, но и в сельском хозяйстве, экологии и биомедицине. Например, с её помощью фермеры смогут обнаружить уровень аммиака в почве и решить, какое количество удобрений применять.