Esperimenti

Spettroscopia cavity ring-down in assorbimento saturato (scar) per rivelazione ottica di radiocarbonio

Il radiocarbonio (14C), l ‘”orologio naturale” per datare la materia organica, è un atomo molto sfuggente. La sua frazione molare è di circa una parte per trilione. Circa 40 anni fa, la spettrometria di massa con acceleratore (AMS) è stata adottata come metodo standard per la datazione di campioni organici tramite radiocarbonio. L’AMS richiede una massa di carbonio più piccola e tempi di misurazione più brevi rispetto al precedente metodo di conteggio a scintillazione liquida (LSC). Tuttavia, AMS richiede strutture sperimentali enormi, costose e ad alta manutenzione. Abbiamo sviluppato una tecnica di spettroscopia laser che è abbastanza sensibile da rilevare molecole di biossido di radiocarbonio a frazioni molari molto basse con una configurazione completamente ottica che è ordini di grandezza più compatta e meno costosa dell’AMS. Il nuovo approccio, denominato SCAR (cavity ring-down in assorbimento saturato), utilizza la saturazione dell’assorbimento molecolare per migliorare la sensibilità rispetto alla spettroscopia cavity ring-down convenzionale. Combinando SCAR con un paio di laser a cascata quantistica (QCL) che emettono radiazione nel medio infrarosso con larghezza di riga stretta sintonizzabile intorno a 4.5 µm, abbiamo potuto raggiungere un limite senza precedenti nella rilevazione di gas in traccia, fino a poche parti per quadrilione (10-15) di frazione molare. I risultati basati su SCAR sono attualmente circa tre volte meno precisi rispetto all’AMS, ma c’è ancora spazio per miglioramenti. Inoltre, SCAR ha una gamma dinamica più ampia di AMS, che comprende più di 5 ordini di grandezza in valori di frazione molare misurabili.
Uno studio di fattibilità per la datazione al radiocarbonio mediante spettroscopia laser a infrarossi è stato pubblicato oltre 40 anni fa. Nel 2011 siamo riusciti, per la prima volta, a misurare l’area spettrale della linea di assorbimento target selezionata della specie isotopica 14C16O2, ricavando così la frazione molare assoluta del biossido di radiocarbonio. Ci siamo riusciti sfruttando le caratteristiche uniche del nostro apparato sperimentale e facendo affidamento su un forte assorbimento molecolare nel medio IR. La tecnica SCAR inizia con una cavità ottica riempita di CO2, che viene illuminata con un intenso laser CW sintonizzato per eccitare una transizione molecolare target di 14C16O2. Quando il laser è spento, i fotoni immagazzinati nella cavità decadono a causa dell’assorbimento di 14C16O2 e della perdita dello specchio. Poiché l’elevata intensità della luce intra-cavità satura la capacità del 14C16O2 di assorbirla, gli istanti iniziali di decadimento sono influenzati solo dalle perdite dagli specchi. Una volta sottratto tale fondo, possiamo determinare la quantità assoluta di 14C16O2 dall’assorbimento molecolare lineare codificato nella coda di decadimento. I nostri risultati aprono la strada a una nuovissima tecnica di datazione completamente ottica, passando dal rilevamento di ioni accelerati ad alta energia (MeV) a una più confortevole rivelazione di fotoni assorbiti a bassa energia (0.25 eV). Questa tecnica può essere utilizzata per rivelare molecole estremamente rare con una miriade di applicazioni in molti campi: datazione di beni culturali, certificazione di biomateriali, farmacologia, sicurezza nucleare, ecc.