Il laboratorio CHROME sfrutta l’innovativa tecnologia dei pettini di frequenza ottici, premiata con il Premio Nobel, per portare avanti due principali programmi di ricerca. Il primo è dedicato al rilevamento di gas in tracce per applicazioni ambientali, mediche e nel campo della combustione; il secondo si concentra sulla spettroscopia di precisione e sulla metrologia ottica per studi di fisica fondamentale. Di seguito è presentata una descrizione dettagliata di queste due aree di ricerca.

Rilevamento di Gas in Tracce

L’approccio adottato per il rilevamento di gas in tracce si basa sulla spettroscopia dual-comb (DCS), una tecnica spettroscopica avanzata che consente di rilevare simultaneamente numerose specie molecolari all’interno di un campione gassoso, con elevatissima sensibilità e alta risoluzione temporale e spettrale. Questa metodologia è particolarmente vantaggiosa per applicazioni quali: i) l’identificazione di biomarcatori nel respiro umano, ii) il monitoraggio di processi industriali, iii) lo studio della chimica della combustione, iv) la misurazione degli inquinanti atmosferici. Il punto di forza della DCS risiede nell’uso di due pettini di frequenza ottici: uno agisce come sonda del profilo di assorbimento del campione, mentre l’altro fornisce una griglia di frequenze equidistanti di riferimento. Questo consente un’acquisizione parallela dello spettro di assorbimento su migliaia di righe spettrali, migliorando notevolmente velocità e dettaglio chimico.

In CHROME stiamo sviluppando una piattaforma DCS compatta e robusta che utilizza modulatori elettro-ottici per convertire segnali a microonde in pettini di frequenza ottici. I pettini così generati vengono successivamente traslati nella regione del medio infrarosso, ricca di transizioni molecolari fondamentali, tramite processi ottici non lineari come l’oscillazione parametrica ottica (OPO) e la generazione di frequenza differenziale (DFG). L’obiettivo è coprire un intervallo spettrale senza precedenti, da 3 a 12 µm, con un sistema progettato per essere portatile e adattabile a una vasta gamma di applicazioni scientifiche, industriali e ambientali.

Metrologia Ottica

Il secondo filone di ricerca è focalizzato sull’idrogeno molecolare (H₂), la molecola più semplice e più abbondante dell’universo. Grazie alla sua struttura elementare, H₂ rappresenta un riferimento fondamentale per la fisica quantistica molecolare, in quanto consente il calcolo ab initio dei suoi livelli energetici ro-vibrazionali, inclusi gli effetti relativistici e le correzioni da elettrodinamica quantistica (QED). L’obiettivo è ottenere misurazioni di altissima precisione di queste transizioni, al fine di testare con rigore le previsioni della QED e, potenzialmente, mettere in luce eventuali discrepanze indicative di nuova fisica.

Per superare le limitazioni delle tecniche di assorbimento tradizionali, adottiamo la Spettroscopia Raman Coerente (CRS), una tecnica non lineare che consente di aggirare la debolezza intrinseca delle transizioni di quadrupolo, le uniche permesse nelle molecole omonucleari come l’H₂. In un recente esperimento sulla riga Q(1) a circa 4155 cm⁻¹, abbiamo raggiunto un’incertezza combinata di 1,0 × 10⁻⁵ cm⁻¹ (310 kHz), superando il limite teorico di oltre un ordine di grandezza. I prossimi passi includono: i) l’estensione delle misurazioni ad altre righe Q e S della banda vibrazionale 1–0, a temperature variabili, per supportare un fitting spettrale robusto e l’estrapolazione delle frequenze di transizione alla pressione zero, ii) l’ampliamento del range spettrale verso le bande puramente rotazionali, iii) l’applicazione della metodologia ad altre molecole inattive nell’infrarosso, come CO₂, N₂ e benzene (C₆H₆). Per aumentare ulteriormente la sensibilità, stiamo passando da celle multi-pass tradizionali a fibre fotoniche a nucleo cavo, che offrono sezioni trasversali del fascio laser molto più strette e una maggiore efficienza d’interazione.