Imagem Fantasma Revolucionária Aumenta Precisão de Medidas de Gases Atmosféricos

Visão Geral

• Novo método de imagem fantasma mede qual gás está presente na atmosfera e em que quantidade, com precisão muito melhor.
• Não requer detectores extremamente sensíveis e fontes de luz poderosas para funcionar.

Medir gases de efeito estufa na atmosfera como dióxido de carbono, metano, ozônio e óxido nitroso é crucial para estudar como quantidades alteradas desses gases afetam a mudança climática. São medidos ou continuamente usando equipamentos estacionários e satélites que monitoram concentrações atuais, ou coletando amostras de ar em frascos e analisando-as em laboratório.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade do Leste da Finlândia, Universidade de Tecnologia de Tampere e Universidade de Burgundy na França, criaram uma nova abordagem para realizar medições espectroscópicas de várias moléculas de gás. Chamam de técnica de Imagem Fantasma.

Comparado a técnicas de imagem existentes, esta nova abordagem pode descobrir a composição química de uma molécula de gás com precisão muito melhor. Em alguns casos, pode permitir identificação mais sensível de gases de efeito estufa.

Como Funciona?

A imagem fantasma opera sobre uma ampla faixa de comprimentos de onda, melhorando o monitoramento de gases presentes na atmosfera, incluindo metano e dióxido de carbono. Funciona com uma fonte de luz de supercontinuidade (emite pulsos com múltiplos comprimentos de onda) para imaginar a luz transferida baseada em comprimento de onda através de amostras de ar, e mede a impressão digital espectral de uma molécula de gás com resolução subnanométrica.

Esta nova técnica gera imagens associando a intensidade de 2 feixes diferentes que não contêm dados sobre a forma do objeto, mas permitem interfaces indiretas sobre suas características. Em condições extremas, pode remover distorções (não todas) observadas em sistemas de imagem convencionais e restaurar sinais embaralhados em escalas de tempo de picossegundos (10⁻¹² segundos).

Como moléculas de gás são principalmente espalhadas, elas apenas alteram a luz transmitida por uma quantidade minúscula. Assim, requer instrumentos muito sensíveis e fontes de luz poderosas para detectá-las.

Referência: The Optical Society | doi:10.1364/OL.43.005025

Diferente de métodos de imagem convencionais que identificam sinais de um único comprimento de onda, a técnica de imagem fantasma detecta um sinal integrado consistindo de vários comprimentos de onda. Portanto, funciona mesmo onde detectores extremamente sensíveis e fontes de luz poderosas não estão disponíveis.

Mais especificamente, gera uma imagem espectral (que contém o espectro de reflexão ou transmissão de um objeto) correlacionando 2 feixes: o primeiro feixe codifica um padrão aleatório que se comporta como referência de sondagem enquanto o outro feixe ilumina a amostra. Para gerar a referência essencial para obter a 'imagem fantasma' espectral, os autores usaram flutuações aleatórias ocorrendo entre espectros de pulsos consecutivos.

Então o feixe transferido através de uma amostra é analisado via detector sem resolução espectral. Após correlacioná-lo com flutuações espectrais de referência, obtiveram uma visão clara da imagem espectral.

Testes

Para testar esta nova técnica, usaram para gerar uma imagem espectral de gás metano. Recriou precisamente a sequência de linhas de absorção discretas que representam a identidade do metano. Também compararam os resultados com medições de espectroscopia direta tradicional: os resultados de ambas as técnicas combinaram bem.

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Atualmente, autores estão experimentando com dispositivos de fonte de luz pré-programáveis para direcionar as flutuações espectrais. Isso eliminaria a necessidade de medir padrões espectrais de referência. Também estão tentando integrar esta tecnologia com configuração de tomografia de coerência óptica, o que permitiria extrair dados sensíveis de várias amostras biológicas, incluindo tecido, sem expor amostras a raios nocivos.