科学者は、レーザーを照射するだけでサッカー場 4 つ以上離れた場所にある化学サンプルを特定する新しい方法を開発しました。この進歩は、いつの日か軍が遠くから爆発物を検出するための強力なツールを提供する可能性があり、天文学者でさえ生命のためにエイリアンの世界を調査するための強力なツールを提供する可能性があります.
「これまでに見られなかった新しいアプローチです」と、スイスのジュネーブ大学の物理学者 Jérôme Kasparian は言います。彼はこの研究には関与していません.
この技術は、ラマン散乱と呼ばれる確立された物理現象を利用しています。化合物に光が当たると、化合物の分子が入ってくる光子のごく一部を散乱させ、その過程で光子のエネルギー レベルを変化させます。出射光の周波数を変化させるエネルギーのシフトは、化合物ごとに異なります。光の周波数を測定する装置である分光計を使用すると、科学者はこのシフトを観察し、問題の化学物質を特定できます。
以前は、科学者はレーザーを使用して化学サンプル内の原子を遠隔で識別していましたが、ラマン技術を使用すると、化合物を直接識別できるようになります。問題は、ラマン散乱が生成する信号が非常に弱いことです。化合物に入る光子の 10 兆分の 1 程度しか散乱されません。そのため、ラマン分光法を遠くのターゲットで機能させるには、研究者は検出可能な信号を取り戻すために非常に強力なレーザーを必要とします.
テキサス A&M 大学、カレッジ ステーションの物理学者 Marlan Scully と彼の同僚は、ランダム ラマン レーザーと呼ばれる比較的新しく発見された現象を利用して、この問題を回避しようとしました。粉末状の化学物質など、非常に無秩序な物質に非常に強い光ビームを当てると、レーザーの動作と同様に、散乱された光子が物質からより多くの光子を放出させることができます。これにより、より明るい散乱信号が生成されます。理論的には、遠くからでも検出しやすいはずです。
テキサス州のチームは、粉末化された化合物のサンプルに広いスペクトルの光を含む強力なレーザー パルスを照射しました。離れた場所での散乱光の検出をシミュレートするために、研究者は信号が分光計に入る前に 400 メートルの距離をカバーするように、ミラー間で信号を 13 回往復させました。
このアプローチにより、研究者は、400 メートル離れた場所で検出できる信号を生成するのに十分な量のランダムなラマン レーザーをサンプルに生成することができ、硝酸アンモニウムと硝酸ナトリウムを確実に識別することができました。 全米科学アカデミー議事録 .どちらの化学物質も肉眼では白い粉末として見え、ほぼ同じ周波数のラマン信号を放出します。前者は無害な化合物ですが、後者は爆発物の製造に使用できます。
実験の結果は「印象的」であると Kasparian は言います。 「これは、数百メートル離れた場所での測定が可能であることを明確に示しています。」
しかし、ハワイ大学マノア校の Anupam Misra 氏は、この研究には参加していませんが、リレー ミラーを使用するよりも 400 メートルから直接測定した方が説得力があると述べています。距離をシミュレートします。この実験では、サンプルがミラーと分光計の近くに配置されているため、ラマン信号は 400 メートルを完全に移動せずに分光計に入る可能性があると彼は言います。
Misra と Kasparian の両方が、この技術を実際に適用するには、科学者が問題の残りの半分を解決する必要があることを指摘しています。数メートル離れています。現在の実験でのレーザーは、サンプルからわずか 8.5 メートルの距離にありました。今日の技術では、レーザー ビームは最大 100 メートルの距離に焦点を合わせることができます、とカスパリアンは言います。
科学者がそのようなレーザーを構築した場合、その技術は農業、環境科学、生物医学に幅広い用途を持つことができます。たとえば、農業では、農家がレーザーを搭載した飛行機を畑の上空で飛ばして、土壌中のアンモニア レベルを検出し、施用する肥料の量を決定できる可能性があります。 「科学のこの部分の素晴らしい点は…光と物質が斬新で魅力的な方法で相互作用する方法について学んでおり、それには多くの応用があるということです」とスカリーは言います。 「それは両方の長所です。」
