Spectroscopie is een belangrijk observatie-instrument op veel gebieden van wetenschap en industrie. Infraroodspectroscopie is vooral belangrijk in de wereld van de chemie, waar het wordt gebruikt om moleculen te analyseren en te identificeren. De huidige state-of-the-art methode kan ongeveer 1 miljoen waarnemingen per seconde doen. UTokyo-onderzoekers hebben dit cijfer ruimschoots overtroffen met een nieuwe methode, ongeveer 100 keer sneller.

Van klimaatwetenschap tot veiligheidssystemen, fabricage tot kwaliteitscontrole van levensmiddelen, infraroodspectroscopie wordt op zoveel academische en industriële gebieden gebruikt dat het een alomtegenwoordig, zij het onzichtbaar, onderdeel van het dagelijks leven. In essentie, infraroodspectroscopie is een manier om met een hoge mate van nauwkeurigheid vast te stellen welke moleculen in een monster van een stof aanwezig zijn. Het basisidee bestaat al tientallen jaren en is gaandeweg verbeterd.

In het algemeen, infraroodspectroscopie werkt door het meten van infrarood licht dat wordt doorgelaten of gereflecteerd door moleculen in een monster. De inherente trillingen van de monsters veranderen de eigenschappen van het licht op zeer specifieke manieren, in wezen het verstrekken van een chemische vingerafdruk, of spectra, die wordt gelezen door een detector en analysatorcircuit of computer. Vijftig jaar geleden konden de beste instrumenten één spectra per seconde meten, en voor veel toepassingen was dit meer dan voldoende.

Recenter, een techniek genaamd dual-kam spectroscopie bereikte een meetsnelheid van 1 miljoen spectra per seconde. Echter, in veel gevallen, snellere waarnemingen zijn nodig om fijnkorrelige gegevens te produceren. Sommige onderzoekers willen bijvoorbeeld de stadia van bepaalde chemische reacties onderzoeken die op zeer korte tijdschalen plaatsvinden. Deze drive bracht universitair hoofddocent Takuro Ideguchi van het Institute for Photon Science and Technology ertoe, aan de Universiteit van Tokio, en zijn team om het snelste infraroodspectroscopiesysteem tot nu toe te onderzoeken en te maken.

"We hebben 's werelds snelste infraroodspectrometer ontwikkeld, die loopt op 80 miljoen spectra per seconde, "zei Ideguchi. "Deze methode, tijd-stretch infrarood spectroscopie, is ongeveer 100 keer sneller dan dual-kam spectroscopie, die vanwege gevoeligheidsproblemen een maximumsnelheid had bereikt." Aangezien er ongeveer 30 miljoen seconden in een jaar zitten, deze nieuwe methode kan in één seconde bereiken wat 50 jaar geleden meer dan twee jaar zou hebben gekost.

Time-stretch infraroodspectroscopie werkt door het uitrekken van een zeer korte puls van laserlicht dat door een monster wordt uitgezonden. Naarmate de uitgezonden puls wordt uitgerekt, het wordt gemakkelijker voor een detector en bijbehorende elektronische schakelingen om nauwkeurig te analyseren. Een belangrijke hogesnelheidscomponent die dit mogelijk maakt, is iets dat een kwantumcascadedetector wordt genoemd, ontwikkeld door een van de auteurs van het artikel, Tatsuo Dougakiuchi van Hamamatsu Photonics.

"Natuurwetenschap is gebaseerd op experimentele waarnemingen. Daarom is nieuwe meettechnieken kunnen nieuwe wetenschappelijke velden ontsluiten, "zei Ideguchi. "Onderzoekers op veel gebieden kunnen voortbouwen op wat we hier hebben gedaan en ons werk gebruiken om hun eigen begrip en observatievermogen te vergroten."